加州理工学院高伟教授Nature NBE：可穿戴电化学传感器，可监测代谢和营养物

　　血液中的蛋白质生物标记物以皮摩尔级别的灵敏度进行量化需要劳动密集型的孵化和洗涤步骤。检测汗液中的蛋白质可以进行即时监测，但其成分通常存在较大的人际和个人差异，从而阻碍了这种检测。在这里，加州理工学院高伟教授报告了一种可穿戴的无线贴片的设计和性能，用于实时电化学检测汗液中的炎症生物标记物C反应蛋白(CRP)。该设备集成了离子导入汗液提取、用于汗液采样和试剂传递和更换的微流体通道，以及基于石墨烯的传感器阵列，用于定量CRP(通过使用抗CRP捕获抗体连接的金纳米颗粒功能化的电极)、离子强度、pH和温度，用于实时校准CRP传感器。在慢性阻塞性肺病、活动性感染或既往感染或心力衰竭的患者中，通过贴片测量的CRP浓度升高与血清中蛋白质水平有很好的相关性。可穿戴生物传感器用于实时灵敏地分析汗液中的炎性蛋白，可能有助于慢性病的治疗。该研究以题为“A wireless patch for the monitoring of C-reactive protein in sweat”的论文发表在《Nature Biomedical Engineering》上。

　　

　　【可穿戴微流控LEG-AuNPs生物传感器的设计】

　　可穿戴式传感器的关键组件是通过CO 2激光雕刻在聚酰亚胺(PI)基板上制作的皮肤接口的、灵活的、一次性的多路微流控生物传感器贴片，以及用于离子导入汗液感应、传感器数据采集和无线通信的柔性印刷电路板(FPCB)。该传感器阵列由固定有抗CRP捕获抗体(cAbs)的电沉积AuNP修饰的LEG工作电极、Ag/AgCl参比电极、用于汗液CRP捕获和电化学分析的腿部对电极、基于腿部的阻抗式离子强度传感器、基于LEG聚苯胺的电位式汗液pH传感器和应变不敏感的电阻石墨烯温度传感器组成。通过堆叠激光切割医用胶粘剂和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)组装了一种经济高效且灵活的微流控模块，以实现高效的汗液采样。微型FPCB紧凑地连接在微流控传感器贴片的顶部，形成完全集成的可穿戴系统。由小型板载锂电池供电，可穿戴系统能够通过蓝牙低能量(BLE)与用户界面进行无线通信。

　　

　　图1 |可穿戴电化学生物传感器，用于自动、无创、无线监测炎症

　　【LEG-AuNPs免疫传感器的材料和电化学特性】

　　制备CRP免疫传感器的功能化过程如图2a所示。AuNPs被电沉积在LEG表面，随后与巯基十一烷酸(MUA)和巯基己醇(MCH)组装成硫醇单层。由于自组装单分子膜(SAM)的形成依赖于特定的金-硫键，传感器贴片在烷硫醇溶液中的浸泡对其他石墨烯电极的影响可以忽略不计。

　　为了实现微量汗液CRP的分析，具有大表面积与体积比的聚乙二醇化的AuNPs被多链亲和素R(PS-R)功能化，以增加生物素化的dAb的负载量并随后增强灵敏度。通过将氧化还原标记TH交联到负载dAb的AuNPs上的羧酸盐残基上，实现了一步直接电化学检测。由于TH标记的、dAb负载的AuNPs在CRP识别后结合到介孔石墨烯电极上，因此位于蛋白质外部位置的TH非常接近每个介孔中的石墨烯表面进行电子转移。CRP传感器的性能通过SWV在加有CRP的磷酸盐缓冲盐水溶液中进行评估。TH还原峰电流高度的增加与靶浓度的增加呈线性关系。该传感器表现出8 pM的超低检测极限和良好的批次间重复性，通过自动化传感器准备和修改过程，可以进一步提高传感精度。LEG-AuNPs CRP免疫传感器显示出比其他可能的干扰蛋白质和激素更高的选择性。

　　

　　图2 |LEG-AuNPs CRP传感器的材料和电化学特性

　　【汗液CRP对全身炎症无创监测的评价】

　　为了确认离子导入和剧烈运动产生的汗液中存在CRP，首先使用自下而上的蛋白质组学分析对不同类型的汗液样本进行了蛋白质组学表征。使用重组CRP蛋白标准作为参考，从参与者的运动和离子导入汗液样本中确定了CRP。在这方面，进一步评估了LEG-AuNPs CRP传感器来评估汗液CRP，作为一种通用的、经济有效的非侵入性方法来监测各种疾病状态下的全身炎症。调查了健康受试者，按吸烟状况(现吸烟者、既往吸烟者和从不吸烟者)分组，目前吸烟者的血清和汗液中的CRP水平均高于既往吸烟者和从不吸烟者，这与先前关于当前吸烟对血清CRP51的影响的报告一致。然而，在COPD患者中，既往吸烟者的血清和汗液CRP值高于现在吸烟者，这与COPD患者即使在戒烟52后也存在不可逆转的组织损伤和慢性炎症相一致。因此，监测COPD患者的汗液CRP可能有助于跟踪疾病进展和/或预测该患者的病情恶化。

　　除了慢性阻塞性肺病和心力衰竭的慢性感染外，众所周知，急性感染(如新冠肺炎)可能导致严重的炎症反应。在一项试点研究中，在住院的活动性感染患者身上连续两天评估了该传感器。与健康受试者相比，活动性感染患者的血清和汗液CRP均显著升高(平均超过10倍)，这表明在急性炎症中存在高度升高的汗液CRP。通过使用该传感器分析来自健康参与者和具有不同炎症条件的患者群体的样本，汗液和血清CRP浓度之间的高度相关系数(R)达到0.844 (n=80)。表明使用汗液CRP对全身炎症进行非侵入性监测以管理各种慢性和急性健康状况的巨大潜力。

　　

　　图3 |评估汗液CRP对健康和患者群体全身炎症的无创监测

　　【用于自动免疫传感的多重微流控贴片的表征】

　　为了实现准确和自动的原位免疫传感，柔性传感器贴片被设计为具有激光雕刻的微流控模块(由试剂储存库、混合通道和检测储存库组成)和多路LEG传感器阵列(由CRP免疫传感器、离子强度传感器和pH传感器组成)。当微流控模块被动地将汗水输送到皮肤上时，阻抗式离子强度传感器会自动捕获检测池的状态(试剂流动和更新)；测量的导纳信号与电解液浓度呈对数线性响应。根据数值模拟，汗液和检测试剂的路线可以概括为四个步骤：(1)重建，(2)孵化，(3)刷新和(4)检测。基于在平均生理出汗率下使用人造汗液的微流体流动测试，当重建阶段没有液体进入检测室时，导纳信号最初接近于零；随着重组，高盐负载检测试剂流入检测室，导纳达到峰值，并随着高盐负载试剂被新分泌的汗液冲出检测室而逐渐减小。由于同一个体的离子导入汗液中的电解质含量保持相对稳定，所有试剂被天然汗液刷新后的导纳响应平台，表明工作电极已准备好用于电化学检测CRP。

　　基于该自动电解质监测机制的CRP传感器的性能在多个微流控流动测试中进行了评估。结果表明，汗液速率校准是不必要的，而需要额外的汗液pH和电解质水平的原位信号校准，以减轻CRP检测准确性的人际差异。与之前报道的被动可穿戴微流控传感器相比，该传感器依靠剧烈运动来诱导出汗，不能达到毫摩尔以下的灵敏度，该研究的技术提供了一种有吸引力的、全自动的微流控汗液诱导、收集和高精度定量分析解决方案，非常适合在家中监测临床相关的痕量生物标志物。

　　

　　图4 |用于自动免疫传感的多重微流体贴片

　　【可穿戴式生物传感器的系统集成与身体评估】

　　完全集成的可穿戴式炎症监测系统InflaStat是基于柔性微流控传感器贴片和FPCB的垂直堆叠组件设计的，参与者可以舒适地佩戴。FPCB能够执行电流控制离子导入、多路电化学测量(包括伏安法、阻抗法和电位法)、信号处理和无线通信。该集成系统还可以准确地获取基于LEG集成的pH、离子强度和皮肤温度传感器的动态响应，用于实时校准CRP传感器。InflaStat的设计目的是在各种体育活动中具有良好的机械灵活性和稳定性，适合实际使用。在体内操作过程中，InflaStat可以通过医用粘合剂在微流体中进行原位CRP传感，而不需要传感器与皮肤直接接触，从而实现与皮肤的共形附着。

　　对健康参与者(包括从不吸烟和现在吸烟的人)、慢性阻塞性肺病患者和从新冠肺炎康复的参与者进行了可穿戴系统的临床身体评估。获得的传感器数据可以在定制开发的移动应用程序上实时显示。当离子强度传感器显示检测储存库已完全更新后，可获得现场pH、温度和CRP传感器读数。值得注意的是，考虑到汗液pH值的变化，CRP传感器的TH还原峰出现了轻微的位移。正如预期的那样，与健康参与者中从不吸烟的人相比，目前吸烟者的CRP水平升高。慢性阻塞性肺疾病患者和新冠肺炎后参与者的CRP水平大大高于不吸烟的健康参与者，这表明InflaStat有望在实际的、非侵入性的全身炎症监测和疾病管理应用中使用。

　　

　　图5 |对多路可穿戴贴片进行无创自动炎症监测的身体评估

　　【小结】

　　由于汗液作为生物流体的可及性，本文报道的可穿戴技术能够获取定量、个性化的炎症信息，并可以解决慢性炎症性疾病背景下患者和护理人员未满足的需求，特别是随着社会向分散式医疗的发展。该技术目前能够询问 CRP 的动态性，从而提供临床见解。进一步研究汗液中 CRP 响应炎症刺激和治疗启动的代谢时间线可能会进一步了解该生物标志物在临床诊断和决策中的效用。这种可穿戴方法原则上可以适用于其他痕量水平和疾病相关蛋白质生物标志物的按需评估。

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　　来源：BioMed科技

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