基于石墨烯的新型传感系统可检测汗液中的皮质醇应激激素

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石墨烯传感器检测出汗液图像中的皮质醇这项工作中使用的扩展栅极FET配置示意图。图片来自文章

EPFL的科学家与初创公司Xsensio合作,开发了一种增强石墨烯的可穿戴系统,该系统可以连续测量人体汗液中皮质醇(应激激素)的浓度。他们的设备可能有助于更好地了解和治疗与压力相关的状况,例如倦怠和肥胖。

这项工作中使用的扩展栅极FET配置示意图。图片来自文章

该团队开发了一种小型可穿戴传感器,该传感器可以直接放置在患者皮肤上,并且可以连续测量患者汗液中主要压力生物标志物皮质醇的浓度。

皮质醇是由我们的肾上腺利用胆固醇制造的类固醇激素。它的分泌受垂体产生的促肾上腺皮质激素(ACTH)的控制。皮质醇在人体中起着至关重要的作用,例如调节新陈代谢,血糖水平和血压。它还会影响免疫系统和心血管功能。当身体处于压力状态时,皮质醇是接管的激素。它指示我们的身体将所需的能量引导到我们的大脑,肌肉和心脏。Nanolab负责人阿德里安·伊内斯库(Adrian Ionescu)说:“冲动时可以分泌出皮质醇-您感觉良好,突然发生某种使您承受压力的事情,您的身体开始产生更多的激素。”

皮质醇可以帮助我们的身体应对压力状况,但实际上是一把双刃剑。它通常根据昼夜节律在全天分泌,在早上6点到早上8点之间达到峰值,然后逐渐减少到下午和晚上。伊诺斯库说:“但是在患有与压力有关的疾病的人中,这种昼夜节律完全消失了。” “而且,如果身体分泌过多或不足的皮质醇,可能会严重损害个人的健康,并可能导致肥胖,心血管疾病,抑郁或倦怠。”

血液测试可用于对患者的皮质醇水平进行快照测量。但是,在唾液,尿液和汗液中也可以发现可检测量的皮质醇。Nanolab的Ionescu团队决定专注于汗液作为检测液,并开发了带有微型传感器的可穿戴智能贴片。



该贴片包含一个晶体管和一个由石墨烯制成的电极,由于其独特的特性,其具有很高的灵敏度和非常低的检测限。石墨烯通过适体功能化,适体是可与特定化合物结合的单链DNA或RNA的短片段。EPFL贴片中的适体带有负电荷。当它与皮质醇接触时,会立即捕获激素,使股线折叠到其自身上,并使电荷更靠近电极表面。然后,该设备会检测到电荷,从而能够测量佩戴者汗液中皮质醇的浓度。

迄今为止,还没有开发出其他系统可以在整个昼夜节律周期中连续监测皮质醇浓度。“这是我们设备的关键优势和创新功能。由于可以佩戴,因此科学家可以收集有关某些与压力有关的疾病的定量,客观数据。他们可以在整个过程中以非侵入性,精确和即时的方式进行收集汗液中皮质醇浓度的变化范围。” Ionescu说。

工程师们在Xsensio专有的Lab-on-Skin平台上测试了他们的设备。下一步是将其交给医护人员进行现场测试。Xsensio首席执行官Esmeralda Megally表示:“ EPFL和Xsensio的联合研发团队在检测皮质醇激素方面达到了重要的研发里程碑。我们期待在医院环境中测试这种新传感器,并开辟新的见解,以了解我们如何身体起作用。” 该团队与洛桑大学医院(CHUV)内分泌,糖尿病和新陈代谢负责人Nelly Pitteloud教授建立了一个桥梁项目,该团队的工作人员将尝试对人类患者进行持续的皮质醇监测系统。这些试验将涉及健康的个体以及患有库欣综合症的人(当人体产生过多的皮质醇时),Addison' 疾病(身体无法产生足够的脂肪)和与压力有关的肥胖症。工程师们认为,他们的传感器可以为皮质醇分泌的生理和病理节律的研究做出重要贡献。

Ionescu说,该技术还可能会因压力过大而对心理疾病产生影响:“目前,仅根据患者的感知和心理状态(通常是主观的)对它们进行评估”。“因此,拥有可靠的可穿戴系统可以帮助医生客观地量化患者是否患有抑郁或倦怠,以及他们的治疗是否有效。此外,医生将实时获得这些信息。进一步了解这些疾病。” 传感器有一天可能会集成到智能手镯中。“下一阶段将专注于产品开发,以将这一令人兴奋的发明转化为我们的皮肤实验室传感平台的关键部分,并将压力监控应用于下一代可穿戴设备,”


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