最新开发的智能手表可以通过汗液测量关键的压力荷尔蒙

诸平

Fig. 1 Cortisol is well-suited for measurement through wearable devices, according to study co-author Sam Emaminejad, because its concentration levels in sweat are similar to its circulating levels. Credit: Yichao Zhao and Zhaoqing Wang/UCLA

Fig. 2 The technology capitalizes on previous work by Sam Emaminejad, Anne Andrews and their UCLA research teams. Credit: Emaminejad Lab and Andrews Lab/UCLA

据美国加州大学洛杉矶分校( University of California, Los Angeles简称UCLA) 2022年2月7日提供的消息，人体对压力的反应，从日常生活到极端，会产生一种叫做皮质醇(cortisol)的激素。迄今为止，将皮质醇作为一种可能识别抑郁和创伤后应激等情况的方法是不切实际的，因为在这些情况下，此激素水平会升高。传统上，皮质醇水平是通过专业实验室的血液样本来评估的，虽然这些测量方法对诊断某些疾病很有用，但它们无法捕捉到皮质醇水平随时间的变化。现在，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的一个研究小组开发了一种设备，这可能是一个重大的进步:一种智能手表，可以评估汗液中的皮质醇水平（Sweating the small stuff: Newly developed smartwatch measures key stress hormone）——准确、无创、实时。相关研究结果于2022年1月5日已经在《科学进展》(Science Advances)杂志网站发表——Bo Wang, Chuanzhen Zhao, Zhaoqing Wang, Kyung-Ae Yang, Xuanbing Cheng, Wenfei Liu, Wenzhuo Yu, Shuyu Lin, Yichao Zhao, Kevin M. Cheung, Haisong Lin, Hannaneh Hojaiji, Paul S. Weiss, Milan N. Stojanović, A. Janet Tomiyama, Anne M. Andrews, Sam Emaminejad. Wearable aptamer-field-effect transistor sensing system for noninvasive cortisol monitoring. Science Advances, 5 Jan 2022, 8(1). DOI: 10.1126/sciadv.abk0967. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk0967.此项研究称，这项技术可以让佩戴者能够阅读并对压力的基本生化指标做出反应。上述图1（Fig. 1）是由UCLA的赵一超（Yichao Zhao音译）、王肇庆（Zhaoqing Wang音译）提供的。该研究的共同通讯作者萨姆·艾玛内嘉德（Sam Emaminejad）表示，皮质醇非常适合通过可穿戴设备进行测量，因为它在汗水中的浓度水平与血液循环中的水平相似。

上述论文的共同通讯作者安妮·安德鲁斯（Anne M. Andrews）说：“我预计，随着时间的推移，密切监测皮质醇变化的能力将对精神障碍患者非常有指导意义。他们可能能够看到即将发生的事情，或监测自己的个人模式的变化。”安妮·安德鲁斯是UCLA精神病学和生物行为科学教授，UCLA纳米系统研究所（California NanoSystems Institute at UCLA简称CNSI at UCLA）成员，也是神经科学和人类行为塞梅尔研究所（Semel Institute for Neuroscience and Human Behavior）成员。

根据共同通讯作者萨姆·艾玛内嘉德的说法，皮质醇很适合通过汗液来测量。他是UCLA塞缪尔里工程学院（UCLA Samueli School of Engineering）电子与计算机工程副教授，也是UCLA纳米系统研究所(CNSI)的成员。他说:“我们确定，通过追踪汗液中的皮质醇，我们将能够以可穿戴的形式监测这种变化，就像我们之前对代谢产物和药物等其他小分子所做的那样。由于其分子大小较小，皮质醇在汗水中扩散时，其浓度水平与血液循环水平密切相关。”

这项技术利用了由萨姆·艾玛内嘉德、安妮·安德鲁斯和他们的研究团队在可穿戴生物电子学和生物传感晶体管方面的先进性。

在这款新型智能手表中，一层特制的薄胶膜可以收集微小的汗液，测量值为百万分之一升（10^-6 L）。一个附加的传感器使用被称为“核酸适配体”(aptamers)的工程DNA链来检测皮质醇，这种设计使皮质醇分子能够像钥匙适合锁一样适合每个适配体。当皮质醇附着时，适配体会改变形状，从而改变晶体管表面的电场。

这项发明及2021年的一项研究（见Fig. 2），证明了利用探测器测量大脑中关键化学物质的能力，是安妮·安德鲁斯长期科学探索的高潮。20多年来，尽管晶体管在潮湿、咸的生物环境下很脆弱，但她一直在生物体内带头监测分子，如血清素(serotonin)，这是一种与情绪调节有关的大脑化学信使。

1999年，安妮·安德鲁斯提出用核酸——而不是标准机理中的蛋白质——来识别特定的分子。化学和生物化学教授安妮·安德鲁斯说：“这个策略让我们破解了一个基本的物理问题:如何让晶体管在生物液体中进行电子测量。”

与此同时，萨姆·艾玛内嘉德还设想了一种无所不在的个人健康监测。他的实验室是具有生物传感器的可穿戴设备的先驱，这种设备可以跟踪与特定健康措施相关的某些分子的水平。他说:“我们正在进入个人监控的时代，在这个时代，医生基本上总是和我们在一起，而不是去医生那里检查。这些数据被直接收集、分析和提供给我们，给我们提供实时反馈，以改善我们的健康和幸福。”

萨姆·艾玛内嘉德的实验室之前已经证明，一种一次性的专用胶膜可以让智能手表分析汗水中的化学物质，还有一种技术可以在佩戴者不动的时候提示出少量汗水。早些时候的研究表明，由萨姆·艾玛内嘉德的小组开发的传感器可以用于诊断囊性纤维化等疾病，以及个性化的药物剂量。

使用皮质醇水平来诊断抑郁症和其他疾病的一个挑战是，激素水平因人而异，所以医生不能从任何单一的测量中了解到很多。但研究人员预计，随着时间的推移，使用智能手表跟踪个人的皮质醇水平，可能会提醒佩戴者和他们的医生，这些变化可能对诊断或监测治疗效果具有临床意义。

这项研究的其他作者之一是UCLA的心理学副教授珍妮特·富山(Janet Tomiyama)，她多年来一直与萨姆·艾玛内嘉德的实验室合作，在临床环境中测试他的可穿戴设备。

UCLA化学、生物化学和材料科学与工程的杰出教授、CNSI成员、论文的合著者保罗·韦斯(Paul S. Weiss)说:“这项工作通过将UCLA不同的部分汇集在一起，成为了一篇重要的论文。这源于我们之间的亲近，没有自我问题，对一起工作感到兴奋。我们可以解决彼此的问题，并将这项技术引向新的方向。”

这篇论文的共同第一作者是UCLA博士后学者王博（Bo Wang音译）和前UCLA研究生赵传祯（Chuanzhen Zhao音译）。其他合著者为UCLA的王肇庆（Zhaoqing Wang音译）、赵一超、哥伦比亚大学（Columbia University）杨景爱（Kyung-Ae Yang）教授等。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

不干胶薄膜将智能手表变成生化健康监测系统（Adhesive film turns smartwatch into biochemical health monitoring system）

Abstract

Wearable technologies for personalized monitoring require sensors that track biomarkers often present at low levels. Cortisol—a key stress biomarker—is present in sweat at low nanomolar concentrations. Previous wearable sensing systems are limited to analytes in the micromolar-millimolar ranges. To overcome this and other limitations, we developed a flexible field-effect transistor (FET) biosensor array that exploits a previously unreported cortisol aptamer coupled to nanometer-thin-film In₂O₃ FETs. Cortisol levels were determined via molecular recognition by aptamers where binding was transduced to electrical signals on FETs. The physiological relevance of cortisol as a stress biomarker was demonstrated by tracking salivary cortisol levels in participants in a Trier Social Stress Test and establishing correlations between cortisol in diurnal saliva and sweat samples. These correlations motivated the development and on-body validation of an aptamer-FET array–based smartwatch equipped with a custom, multichannel, self-referencing, and autonomous source measurement unit enabling seamless, real-time cortisol sweat sensing.