這種指環(huán)狀器件融合了納米電子學(xué)和折疊RNA,無需進(jìn)行侵入性血液檢測(cè)即可追蹤人體內(nèi)的激素水平。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,近期,研究人員設(shè)計(jì)了一種指環(huán)狀可穿戴生物傳感器,用于監(jiān)測(cè)人體汗液中的雌二醇激素。與傳統(tǒng)追蹤生育能力和女性健康的方法相比,這項(xiàng)技術(shù)具有快速、無創(chuàng)的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究成果以“A wearable aptamer nanobiosensor for non-invasive female hormone monitoring”為題發(fā)表在Nature Nanotechnology期刊上。
這種一次性生物傳感器結(jié)合了微流控技術(shù)和新興的電極技術(shù)(電極表面修飾了被稱為適配體的分子識(shí)別元件),可以實(shí)時(shí)檢測(cè)激素水平,滿足了人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的個(gè)性化醫(yī)療服務(wù)需求。
“這項(xiàng)研究很有價(jià)值,研究人員開發(fā)的生物傳感器可以無創(chuàng)監(jiān)測(cè)人體汗液中的激素水平,這一研究成果令人興奮。”來自澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)(RMIT University),負(fù)責(zé)開發(fā)用于醫(yī)療保健的傳感器和可穿戴技術(shù)的工程師Madhu Bhaskaran說,“開發(fā)出一種壽命很長(zhǎng),長(zhǎng)期保存后仍然具有足夠高的靈敏度,并且可以居家使用的診斷方法是一項(xiàng)真正的挑戰(zhàn)?!?/p>
以前,需要監(jiān)測(cè)激素水平的人必須前往診所進(jìn)行血液檢測(cè),或者將在家收集的血液樣本送到實(shí)驗(yàn)室。但是這些檢測(cè)方式往往是侵入性的、耗時(shí)的,盡管一些居家檢測(cè)可以使用尿液作為檢測(cè)樣本,但其檢測(cè)結(jié)果往往不太精確。血液檢測(cè)仍然是金標(biāo)準(zhǔn),但研究人員對(duì)其它體液及其包含的健康信息越來越感興趣。
“例如,我們知道,我們的汗液中存在臨床相關(guān)的生物標(biāo)志物,但其濃度極低?!眮碜悦绹了_迪納加州理工學(xué)院(California Institute of Technology)的生物醫(yī)學(xué)工程師、該研究的合著者Wei Gao說。到目前為止,還沒有專門用于汗液中的生殖激素檢測(cè)的傳感器或可穿戴器件被開發(fā)出來。目前,研究的重點(diǎn)是雌二醇,其在生育和婦女健康方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,而這兩個(gè)領(lǐng)域的研究經(jīng)費(fèi)仍然嚴(yán)重不足,盡管“人們強(qiáng)烈需要能夠提供更多關(guān)于月經(jīng)和生育狀況信息的技術(shù)”,Wei Gao說。
化學(xué)抗體
雖然大多數(shù)生物傳感器使用抗體或酶來靶向蛋白質(zhì),但Wei Gao等開發(fā)的生物傳感器依賴于適配體——這是被設(shè)計(jì)成折疊形式以便其能夠與包括小分子和毒素等在內(nèi)的靶標(biāo)相結(jié)合的單鏈DNA/RNA短片段。雖然有時(shí)被稱為化學(xué)抗體,但是適配體比大多數(shù)抗體要小得多,其可以通過體外化學(xué)合成獲得,而不能直接從實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物體內(nèi)獲得。研究人員先前已經(jīng)設(shè)計(jì)出核酸適配體來識(shí)別皮質(zhì)醇、血清素、咖啡因,甚至某些類型的癌癥。
為了制造雌二醇傳感器,研究人員設(shè)計(jì)了兩層材料來協(xié)同工作——一層是修飾了雌二醇識(shí)別適配體的界面,另一層是覆蓋在MXene材料(這種材料可以進(jìn)一步增強(qiáng)微弱的電信號(hào))上的金納米顆粒電極。適配體中預(yù)先裝載了用亞甲基藍(lán)(用于電化學(xué)探針的一種染料)標(biāo)記的單鏈DNA。
當(dāng)戴在手指上時(shí),這種生物傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小電流來刺激汗液分泌,然后將汗液吸入一個(gè)微型儲(chǔ)液室中。當(dāng)儲(chǔ)液室中充滿汗液時(shí),適配體與亞甲基藍(lán)標(biāo)記的DNA鏈分離,并與雌二醇結(jié)合。隨后,這些DNA鏈可以自由地在傳感器的兩層材料之間移動(dòng),并與電極上的DNA互補(bǔ)鏈結(jié)合,在電極上,亞甲基藍(lán)的含量被轉(zhuǎn)換為最終的測(cè)量結(jié)果。在使用人工汗液進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中,這種傳感器可以在10分鐘內(nèi)檢測(cè)到濃度低至140 nM的雌二醇,其檢測(cè)限接近人類汗液中雌二醇含量的下限。
這種指環(huán)狀可穿戴生物傳感器還集成了追蹤皮膚溫度、pH值和汗液中鹽分濃度等功能,從而使其可以實(shí)時(shí)校準(zhǔn)激素檢測(cè)結(jié)果,并將結(jié)果在智能手機(jī)上顯示出來。
強(qiáng)相關(guān)性
Wei Gao和同事們首先利用人工汗液對(duì)這種生物傳感器的性能進(jìn)行了測(cè)試,然后將其用于五位女性的月經(jīng)周期追蹤,并同時(shí)對(duì)其中兩名女性的血液樣本進(jìn)行了檢測(cè),以將其檢測(cè)結(jié)果與汗液檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究人員發(fā)現(xiàn),利用兩種檢測(cè)樣本獲得的檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)同步上升和下降的趨勢(shì),并且其波動(dòng)都符合預(yù)期的模式——雌二醇的濃度通常在月經(jīng)周期開始時(shí)增加,在排卵前達(dá)到峰值;卵子排出后,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較小的次峰。
Madhu Bhaskaran說:“汗液檢測(cè)結(jié)果與血清檢測(cè)結(jié)果的相關(guān)性使得這種可穿戴生物傳感器非常有應(yīng)用前景。然而,用于汗液檢測(cè)的樣本量通常很小,因此確保這項(xiàng)技術(shù)在人體的不同條件下都能發(fā)揮作用真的很重要?!?/p>
雖然,研究小組開發(fā)這種指環(huán)狀生物傳感器是為了追蹤女性月經(jīng)周期,但雌二醇也參與調(diào)節(jié)性欲、勃起功能和精子發(fā)生。Wei Gao表示,這種生物傳感器對(duì)接受激素治療的人也很有用。
經(jīng)過合理的設(shè)計(jì),適配體幾乎可以靶向任何檢測(cè)目標(biāo)。Wei Gao的目標(biāo)是開發(fā)能夠同時(shí)連續(xù)追蹤包括促卵泡激素、促黃體生成素、促性腺激素釋放激素和黃體酮在內(nèi)的多種激素的生物傳感器。他目前正在致力于將一種基于汗液的生物傳感器商業(yè)化。
美國加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校(University of California,Santa Barbara)的生物工程師Kevin Plaxco說,盡管適配體的設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但其還沒有達(dá)到可以與自然界相匹敵的造詣。DNA和RNA帶負(fù)電,因此研究人員很難將它們與同樣帶強(qiáng)負(fù)電荷的靶標(biāo)(例如氟離子)結(jié)合。然而,科研人員已經(jīng)在細(xì)菌和古細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了可以與氟離子結(jié)合的適配體,它是被稱為“核糖開關(guān)”的基因控制結(jié)構(gòu)的一部分。
氟離子“是最難制造相應(yīng)適配體的物質(zhì),但有一種核糖體開關(guān)能夠以極好的特異性和親和力結(jié)合氟離子?!盞evin Plaxco說,“其存在的事實(shí)告訴我,當(dāng)我們的技術(shù)足夠成熟時(shí),就有可能制造出令人難以置信的適配體。”
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:用于汗液中生殖激素檢測(cè)的可穿戴適配體生物傳感器
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