一、摘要

女性激素（尤其是雌二醇）的個性化監(jiān)測在生育和女性健康領域備受關注。然而，現(xiàn)有的方法通常需要侵入性血液抽取和/或大型分析實驗室設備，難以在家中實施。在此，作者報告了一種基于靶標物誘導鏈置換反應的可穿戴適配體納米生物傳感器，通過原位汗液分析實現(xiàn)雌二醇的自動和非侵入式監(jiān)測。該無試劑、無擴增的“信號開啟”檢測方法結(jié)合基于金納米粒子-MXene的檢測電極，提供了優(yōu)異的靈敏度，檢測限低至0.14pM。該完全集成系統(tǒng)能夠在人靜息狀態(tài)下通過離子電泳自主誘導汗液，利用毛細管破裂閥精確控制微流體汗液采樣，同時收集的多變量信息（即溫度、pH值和離子強度）進行實時分析校準雌二醇含量，最后使用移動終端（智能手機）進行無線通信和信號處理。作者在受試者中驗證了該技術，數(shù)據(jù)表明，在月經(jīng)周期中汗液雌二醇存在周期性波動，并且汗液與血液雌二醇之間存在高度相關性。作者的研究為可穿戴傳感器在非侵入式個性化生殖激素監(jiān)測方面開辟了潛力。

二、背景介紹

女性激素影響著女性健康的多個方面，從月經(jīng)到懷孕再到更年期及其他（例如，抑郁癥）。雌二醇是女性激素雌激素的主要形式，也是生殖年中最有效、最普遍的雌性激素。在月經(jīng)周期中，雌二醇對下丘腦-垂體-卵巢軸提供反饋，以調(diào)節(jié)黃體生成素的產(chǎn)生和排卵（見圖1a）。除了在性發(fā)育中的核心作用外，無論是在男性還是女性中雌二醇還顯著影響主要器官，包括血管、骨骼、肌肉和大腦。因此，雌二醇監(jiān)測在人體生物學中具有重要意義，是不孕癥管理以及一般生理監(jiān)測的一個基本組成部分。與基于基礎體溫計或尿液促性腺激素的其他替代生育監(jiān)測方法相比，血清雌二醇提供了最及時和準確的信息。此外，血清雌二醇分析是監(jiān)測促性腺激素誘導排卵的金標準；常規(guī)雌二醇監(jiān)測對更年期女性和接受激素替代治療的個體具有至關重要的作用。

女性激素的定量測量通過質(zhì)譜和免疫測定法獲得，這些方法需要大型設備，并且在常規(guī)臨床使用中具有低檢測通量。定量測定月經(jīng)周期中皮質(zhì)醇的pM水平似乎是識別不孕癥的一個關鍵且具有挑戰(zhàn)性的問題（圖1a）。此外，這些方法通常基于侵入性血液抽取和復雜的樣本準備，使其在家庭遠程使用中不切實際。盡管市面上有基于指尖血滴、唾液或24小時尿液的“家庭”雌激素測試工具，但這些工具都要求收集的樣本送往實驗室進行漫長的分析。因此，迫切需要在非侵入性可獲取的生物液體中進行高靈敏度和高準確度的雌激素水平現(xiàn)場定量，以確保個體層面的最佳醫(yī)療決策。

人類汗液中含有豐富的分子信息，反映個體的健康狀態(tài)。由傳統(tǒng)實驗室分析向可穿戴汗液分析的轉(zhuǎn)變，可能實現(xiàn)非侵入性和遠程的女性激素監(jiān)測。由于女性激素在汗液中的濃度極低（picomolar水平）以及汗液的可獲取性和樣本基質(zhì)的變化，現(xiàn)場監(jiān)測汗液中的女性激素面臨挑戰(zhàn)，因此尚未實現(xiàn)。在這項工作中，作者引入了一種基于目標誘導鏈置換適體開關的無線可穿戴傳感器，用于以subpicomolar靈敏度對雌性激素進行原位自動電化學監(jiān)測（圖1b）

三、內(nèi)容詳解

在此工作中，團隊基于靶標誘導鏈置換適體開關原理設計并構筑了無線、微流控可穿戴傳感平臺，實現(xiàn)了汗液中痕量（pM）雌二醇的原位動態(tài)分析（圖1.）。通過實時動態(tài)監(jiān)測女性生理周期過程中，血液及汗液雌二醇水平的變化，首次發(fā)現(xiàn)了月經(jīng)周期期間汗液雌二醇的周期性波動，驗證了汗液和血液雌二醇之間的高度相關性，為女性荷爾蒙無創(chuàng)監(jiān)測及健康管理提供了借鑒。

圖2 無試劑無需信號放大的適配體雌二醇傳感器設計與表征。

通過在電極系統(tǒng)中引入離子電滲方法實現(xiàn)了在無運動情況下自主排汗，設計了毛細管爆破閥微流控系統(tǒng)對汗液采樣過程進行精準控制?？紤]到個體差異以及汗液pH、離子強度、體表溫度等對雌二醇傳感信號的影響，在電極系統(tǒng)中引入了pH傳感器、離子強度傳感器及溫度傳感器對電極信號進行校準。最終將傳感電極系統(tǒng)與自主設計的柔性印刷電路板結(jié)合，實現(xiàn)了在靜態(tài)汗液基質(zhì)中高度穩(wěn)定的雌二醇分析（圖3）。

圖3 微流控可穿戴系統(tǒng)集成用于自動原位激素分析。

圖4 可穿戴傳感器在人類受試者中進行無創(chuàng)女性激素監(jiān)測的評估。

四、全文總結(jié)

本研究展示了一種高靈敏度的適配體納米生物傳感器，能夠在汗液中進行超靈敏且無試劑的可穿戴女性激素雌二醇分析。AuNPs–MXene導電支架通過增強工作電極的電活性表面積和電荷轉(zhuǎn)移效率，提高了信號傳導能力。為了實現(xiàn)自動化的體內(nèi)監(jiān)測，設計了一種完全集成的無線可穿戴系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了離子滲透水凝膠用于局部汗液刺激，微流體技術用于汗液收集，以及功能化傳感器用于雌二醇的檢測和校準。作者發(fā)現(xiàn)汗液和血清雌二醇水平之間存在直接相關性，并且在月經(jīng)周期中汗液雌二醇水平呈現(xiàn)明顯的周期性波動趨勢。因此，該設備能夠方便地在家中進行生殖激素監(jiān)測，并且可以重新配置以監(jiān)測其他微量生物標志物，適用于多種個性化醫(yī)學應用。

五、文獻信息

Ye, C., Wang, M., Min, J.et al.A wearable aptamer nanobiosensor for non-invasive female hormone monitoring.Nat. Nanotechnol.19, 330–337 (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01513-0

審核編輯 黃宇