加州理工学院：研究一种无创监测女性激素的可穿戴生物传感器

一、摘要

    女性激素（尤其是雌二醇）的个性化监测在生育和女性健康领域备受关注。然而，现有的方法通常需要侵入性血液抽取和/或大型分析实验室设备，难以在家中实施。在此，作者报告了一种基于靶标物诱导链置换反应的可穿戴适配体纳米生物传感器，通过原位汗液分析实现雌二醇的自动和非侵入式监测。该无试剂、无扩增的“信号开启”检测方法结合基于金纳米粒子-MXene的检测电极，提供了优异的灵敏度，检测限低至0.14 pM。该完全集成系统能够在人静息状态下通过离子电泳自主诱导汗液，利用毛细管破裂阀精确控制微流体汗液采样，同时收集的多变量信息（即温度、pH值和离子强度）进行实时分析校准雌二醇含量，最后使用移动终端（智能手机）进行无线通信和信号处理。作者在受试者中验证了该技术，数据表明，在月经周期中汗液雌二醇存在周期性波动，并且汗液与血液雌二醇之间存在高度相关性。作者的研究为可穿戴传感器在非侵入式个性化生殖激素监测方面开辟了潜力。

二、背景介绍

    女性激素影响着女性健康的多个方面，从月经到怀孕再到更年期及其他（例如，抑郁症）。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。在月经周期中，雌二醇对下丘脑-垂体-卵巢轴提供反馈，以调节黄体生成素的产生和排卵（见图1a）。除了在性发育中的核心作用外，无论是在男性还是女性中雌二醇还显著影响主要器官，包括血管、骨骼、肌肉和大脑。因此，雌二醇监测在人体生物学中具有重要意义，是不孕症管理以及一般生理监测的一个基本组成部分。与基于基础体温计或尿液促性腺激素的其他替代生育监测方法相比，血清雌二醇提供了最及时和准确的信息。此外，血清雌二醇分析是监测促性腺激素诱导排卵的金标准；常规雌二醇监测对更年期女性和接受激素替代治疗的个体具有至关重要的作用。

    女性激素的定量测量通过质谱和免疫测定法获得，这些方法需要大型设备，并且在常规临床使用中具有低检测通量。定量测定月经周期中皮质醇的pM水平似乎是识别不孕症的一个关键且具有挑战性的问题（图1a）。此外，这些方法通常基于侵入性血液抽取和复杂的样本准备，使其在家庭远程使用中不切实际。尽管市面上有基于指尖血滴、唾液或24小时尿液的“家庭”雌激素测试工具，但这些工具都要求收集的样本送往实验室进行漫长的分析。因此，迫切需要在非侵入性可获取的生物液体中进行高灵敏度和高准确度的雌激素水平现场定量，以确保个体层面的最佳医疗决策。

    人类汗液中含有丰富的分子信息，反映个体的健康状态。由传统实验室分析向可穿戴汗液分析的转变，可能实现非侵入性和远程的女性激素监测。由于女性激素在汗液中的浓度极低（picomolar水平）以及汗液的可获取性和样本基质的变化，现场监测汗液中的女性激素面临挑战，因此尚未实现。在这项工作中，作者引入了一种基于目标诱导链置换适体开关的无线可穿戴传感器，用于以subpicomolar灵敏度对雌性激素进行原位自动电化学监测（图1b）

三、内容详解

    在此工作中，团队基于靶标诱导链置换适体开关原理设计并构筑了无线、微流控可穿戴传感平台，实现了汗液中痕量（pM）雌二醇的原位动态分析（图1.）。通过实时动态监测女性生理周期过程中，血液及汗液雌二醇水平的变化，首次发现了月经周期期间汗液雌二醇的周期性波动，验证了汗液和血液雌二醇之间的高度相关性，为女性荷尔蒙无创监测及健康管理提供了借鉴。 

 

图2  无试剂无需信号放大的适配体雌二醇传感器设计与表征。

    通过在电极系统中引入离子电渗方法实现了在无运动情况下自主排汗，设计了毛细管爆破阀微流控系统对汗液采样过程进行精准控制。考虑到个体差异以及汗液pH、离子强度、体表温度等对雌二醇传感信号的影响，在电极系统中引入了pH传感器、离子强度传感器及温度传感器对电极信号进行校准。最终将传感电极系统与自主设计的柔性印刷电路板结合，实现了在静态汗液基质中高度稳定的雌二醇分析（图3）。

图3  微流控可穿戴系统集成用于自动原位激素分析。

图4 可穿戴传感器在人类受试者中进行无创女性激素监测的评估。

四、全文总结

    本研究展示了一种高灵敏度的适配体纳米生物传感器，能够在汗液中进行超灵敏且无试剂的可穿戴女性激素雌二醇分析。AuNPs–MXene导电支架通过增强工作电极的电活性表面积和电荷转移效率，提高了信号传导能力。为了实现自动化的体内监测，设计了一种完全集成的无线可穿戴系统，该系统结合了离子渗透水凝胶用于局部汗液刺激，微流体技术用于汗液收集，以及功能化传感器用于雌二醇的检测和校准。作者发现汗液和血清雌二醇水平之间存在直接相关性，并且在月经周期中汗液雌二醇水平呈现明显的周期性波动趋势。因此，该设备能够方便地在家中进行生殖激素监测，并且可以重新配置以监测其他微量生物标志物，适用于多种个性化医学应用。

五、文献信息

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

审核编辑 黄宇