用于“压力荷尔蒙”监测的智能手表系统

可穿戴监测技术能够通过提供个性化、可操作的反馈改变身体和认知表现，促使人们采用更健康的生活方式。可穿戴传感器可检测和量化可回收生物流体中的生物标记物，提供人类动态生理和心理状态的特定信息。人体传感系统已被用于测量汗液中的生理信息指标，包括pH值、电解质、代谢物或营养水平。

然而，许多低浓度、潜在信息丰富的生物标记物无法通过可穿戴传感系统获取。因此，可穿戴传感器的潜在用途仍然局限于少数狭窄应用。皮质醇——一种关键的应激生物标志物，在低纳摩尔浓度下存在于汗液中。以前的可穿戴传感系统仅限于监测微摩尔-毫摩尔范围内的分析物。此外，现有的可穿戴系统既不具备捕获生物标志物生理相关变化所需的分辨率，也不具备动态能力进行准确、无缝地进行测量。

近日，来自于UCLA以及哥伦比亚大学的研究团队在Science Advances发表了一篇题为“Wearable aptamer-field-effect transistor sensing system for noninvasive cortisol monitoring”文章。研究团队开发了一种灵活的场效应晶体管（FET）生物传感器阵列，该阵列利用了以前未报道的皮质醇适体偶联到In 2 O 3 的纳米薄膜FET上。研究团队通过跟踪Trier社会压力测试参与者的唾液皮质醇水平确认了皮质醇作为压力生物标志物的生理相关性，并建立日间唾液和汗液样本中皮质醇之间的相关性。这些相关性推动了基于适体场效应晶体管阵列的智能手表的开发和体内验证，该智能手表配备了定制、多通道、自参考和自主源测量单元，可实现无缝、实时的皮质醇汗液传感。

图片来源：Science Advances

使用可穿戴适体FET传感系统进行无创皮质醇生物标记物监测。图片来源：Science Advances

皮质醇是一种低浓度的生物标志物，它是应激反应性下丘脑-垂体-肾上腺轴的关键组成部分。皮质醇失调发生在重度抑郁症、焦虑症、创伤后应激障碍、肥胖、库欣病和艾迪生氏病。有研究表明个体皮质醇水平与神经行为发展轨迹和个人行为有着紧密的联系。

临床研究表明，唾液和血液中游离皮质醇水平之间存在显著相关性，汗液中的皮质醇也存在类似的相关性。为了以可穿戴的形式监测低浓度、小分子生物标记物，如皮质醇，研究团队设计、开发并研究了基于场效应晶体管（FET）阵列的传感系统。该阵列利用了一种新发现的皮质醇适体（作为生物认知元件）耦合到FET的纳米通道中（作为信号转导平台）。基板被嵌入一个薄膜微流控装置中，以形成一个可粘附皮肤的生物流体采样、布线和分析模块。通过部署基于aptamer FET阵列的smartwatch，实现了无缝实时的生物标记物数据采集。不仅如此，适体场效应晶体管传感器是通用的和模块化的。它们可以直接以可穿戴和移动的形式适应其他生理生物标志物，包括汗液（或其他体液）中低浓度的目标。

研究团队成功找到了一个以前未知的DNA适配子序列，该序列可直接识别人类应激激素皮质醇。

TSST，一种金标准实验室程序，用于在人类参与者中可靠地诱导应激，以确定应激诱导的唾液皮质醇升高。唾液皮质醇水平通过标准实验室分析，即液相色谱串联质谱（LC-MS/MS）或酶联免疫吸附试验（ELISA）进行定量。唾液皮质醇浓度在应激15分钟后达到峰值然后在75分钟内下降。研究团队使用皮质醇适体FET装置分析了一名TSST代表参与者的唾液样本。FET传感器测量显示，应激15分钟后，皮质醇出现峰值，随后应激90分钟后，皮质醇恢复到基线水平，这与标准实验室分析显示的趋势一致。唾液和汗液皮质醇水平之间的相关性为0.73，支持唾液和汗液皮质醇水平之间的相关性。

皮质醇适体FET传感器的生物学适用性 

图片来源：Science Advances

研究团队整合了一个微流控模块和一个由110毫安时锂聚合物电池供电的液晶显示器（LCD），以生产“智能手表”。通过移动电话应用程序，smartwatch可以在设定的时间获取实时测量值（即皮质醇、pH值和温度）时间间隔。smartwatch的实时录制结果显示，皮质醇通道检测到夜间出汗皮质醇水平下降，与典型的昼夜节律和我们的离体相关研究观察结果一致。

基于适体FET阵列的smartwatch，用于实时人体汗液分析  

图片来源：Science Advances

研究团队开发了一种灵活的场效应晶体管（FET）生物传感器阵列，并推动了基于适体场效应晶体管阵列的智能手表的开发和体内验证，该智能手表配备了定制、多通道、自参考和自主源测量单元，可实现无缝、实时的皮质醇汗液传感。

从临床角度来看，鉴于汗液是一种相对未充分开发的生物流体，制定标准方案（例如，基于汗液的TSST）将有利于形成以汗液为基础的生物标记物研究为中心的大规模、动态和纵向研究的基础。基于适体FET阵列的smartwatch产生的数据可以与其他用户特定的静态和动态信息相关联，以提供监测疾病状态的客观标准（例如，激素失衡）医嘱，如库欣病和艾迪生病，协助诊断抑郁症），并向用户提供个性化反馈，以及时告知干预措施。