通過(guò)汗液內(nèi)源性氨基酸的原位監(jiān)測(cè)可以為健康和代謝提供生理學(xué)見(jiàn)解。然而，現(xiàn)有的氨基酸生物傳感器無(wú)法在運(yùn)動(dòng)期間定量評(píng)估代謝狀態(tài)，并且很少用于建立血液-汗液相關(guān)性，因?yàn)樗鼈儍H檢測(cè)單一濃度指標(biāo)并忽視了汗液速率。

為了解決上述問(wèn)題，中科院半導(dǎo)體所王麗麗團(tuán)隊(duì)介紹了一種可穿戴的多模式生物微流控芯片，它集成了先進(jìn)的電化學(xué)電極和多功能微流控通道，能夠同時(shí)定量多種汗液指標(biāo)，包括苯丙氨酸（Phe）和氯離子，以及汗液速率。這種綜合測(cè)量方法揭示了個(gè)體間汗液苯丙氨酸水平與汗液速率之間的負(fù)相關(guān)性，進(jìn)一步使得識(shí)別高代謝風(fēng)險(xiǎn)個(gè)體成為可能。

通過(guò)追蹤運(yùn)動(dòng)期間因蛋白質(zhì)攝入引起的苯丙氨酸波動(dòng)，并通過(guò)對(duì)汗液速率進(jìn)行濃度指標(biāo)歸一化以減少個(gè)體間變異，展示了一種可靠的方法來(lái)關(guān)聯(lián)和分析汗液-血液苯丙氨酸水平，可用于個(gè)人健康監(jiān)測(cè)。該研究以“Interindividual- and blood-correlated sweat phenylalanine multimodal analytical biochips for tracking exercise metabolism”為題發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。

該研究介紹了一種可穿戴的多模式生物微流控芯片，用于感應(yīng)多種指標(biāo)，包括汗液中的苯丙氨酸和氯離子濃度，以及汗液速率，這些指標(biāo)共同使得在運(yùn)動(dòng)期間對(duì)代謝狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)估成為可能。這種生物微流控芯片整合了三個(gè)功能模塊，用于先進(jìn)的原位汗液檢測(cè)（圖1a）：（i）一個(gè)通過(guò)電催化活性分子印跡聚合物（MIP）修飾的電化學(xué)電極（E-MIP），用于直接和選擇性地確定汗液中苯丙氨酸；（ii）一個(gè)設(shè)計(jì)精良的多功能微流控模塊，允許快速汗液采樣、濃度刷新和pH緩沖，以維持穩(wěn)定的檢測(cè)環(huán)境，以及用于汗液損失測(cè)量的流速可視化；以及（iii）與匹配的無(wú)線柔性電路和移動(dòng)軟件的集成。利用這種生物微流控芯片方法，研究了兩個(gè)具有不同身體質(zhì)量指數(shù)（BMI）值的人體檢測(cè)受試者群體之間苯丙氨酸水平的變化，這可以歸因于汗液速率的差異。利用這種負(fù)相關(guān)性，研究人員分析了苯丙氨酸進(jìn)入汗液的可能機(jī)制。

此外，研究人員通過(guò)使用復(fù)合指標(biāo)——苯丙氨酸分泌率（SP），該指標(biāo)來(lái)源于汗液苯丙氨酸濃度（CP）和汗液速率（RW）（圖1b），評(píng)估了具有不同生理特征的志愿者的運(yùn)動(dòng)代謝狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)。最后，展示了在不同志愿者中，通過(guò)汗液速率歸一化減少個(gè)體間變異后，汗液和血清苯丙氨酸水平之間的相似和強(qiáng)相關(guān)性。所有這些展示揭示了可穿戴多模式系統(tǒng)在基于汗液的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)和飲食管理中的潛在實(shí)用性。

圖1 可穿戴多模態(tài)生物芯片通過(guò)汗液分析評(píng)估運(yùn)動(dòng)代謝風(fēng)險(xiǎn)和血清相關(guān)性的示意圖

E-MIP傳感器的電化學(xué)表征

圖2展示了E-MIP傳感器對(duì)苯丙氨酸檢測(cè)的特性，包括對(duì)苯丙氨酸的選擇性識(shí)別能力，以及在生理相關(guān)高濃度下對(duì)其他氨基酸的有效區(qū)分。此外，傳感器還展示了對(duì)L-苯丙氨酸與D-苯丙氨酸的對(duì)映體選擇性，這是由于使用了L-苯丙氨酸作為印跡模板。傳感器的電化學(xué)特性通過(guò)循環(huán)伏安法和電化學(xué)阻抗譜進(jìn)行了評(píng)估，顯示了在不同pH條件下對(duì)苯丙氨酸的響應(yīng)穩(wěn)定性。通過(guò)差分脈沖伏安法掃描，在10至1500μM的苯丙氨酸濃度范圍內(nèi)檢測(cè)到了峰電流讀數(shù)的明確增加，并確定了兩個(gè)線性關(guān)系。這些結(jié)果表明，E-MIP電極在直接、選擇性和敏感地電催化氧化苯丙氨酸方面優(yōu)于其他檢測(cè)電極。

圖2 用于苯丙氨酸檢測(cè)的E-MIP傳感器的表征

多用途微流控的設(shè)計(jì)和性能表征

圖3展示了為可穿戴汗液苯丙氨酸傳感器設(shè)計(jì)的多功能微流控模塊的設(shè)計(jì)和性能特征。結(jié)果表明，微流控模塊能夠有效地提高汗液采樣的時(shí)間分辨率，并通過(guò)可視化流道提供汗液損失的實(shí)時(shí)讀數(shù)，同時(shí)維持pH中性和高離子強(qiáng)度的溶液環(huán)境，以確保準(zhǔn)確的汗液苯丙氨酸檢測(cè)。

圖3 用于汗液采樣的多用途微流控的設(shè)計(jì)和表征

用于評(píng)估運(yùn)動(dòng)代謝風(fēng)險(xiǎn)的傳感器評(píng)估

圖4展示了可穿戴多模式生物微流控芯片在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)汗液分析和代謝評(píng)估中的體內(nèi)評(píng)估。受試者佩戴生物微流控芯片的照片和智能手機(jī)應(yīng)用程序界面的截圖顯示了生物微流控芯片的實(shí)際應(yīng)用和用戶界面。傳感器的超薄和柔性演示強(qiáng)調(diào)了其適合長(zhǎng)時(shí)間佩戴的設(shè)計(jì)。硬件塊圖揭示了汗液傳感器的柔性電路，包括用于激發(fā)差分脈沖伏安法（DPV）電位和差異開(kāi)路電位（OCP）測(cè)量的模塊，以及相應(yīng)的多模式生物信號(hào)檢索、處理和傳輸功能。實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)的圖表和從受試者額頭獲得的DPV數(shù)據(jù)提供了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中汗液成分變化的實(shí)時(shí)信息。動(dòng)態(tài)汗液苯丙氨酸測(cè)量和相應(yīng)的箱形圖比較了不同BMI值受試者的汗液苯丙氨酸水平，揭示了不同體質(zhì)人群在運(yùn)動(dòng)時(shí)的代謝差異。汗液苯丙氨酸分泌率與汗液氨基酸水平的正相關(guān)性驗(yàn)證了其作為運(yùn)動(dòng)代謝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的潛力。通過(guò)汗液速率歸一化，可以減少個(gè)體間變異，從而更準(zhǔn)確地評(píng)估血清和汗液苯丙氨酸水平之間的相關(guān)性。

圖4 可穿戴多模態(tài)生物微流控芯片用于動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)汗液分析和評(píng)估的體內(nèi)評(píng)估

汗液苯丙氨酸傳感器用于飲食管理和血清相關(guān)性的評(píng)估

圖5顯示了實(shí)時(shí)汗液苯丙氨酸分析，用于評(píng)估運(yùn)動(dòng)期間血清水平和蛋白質(zhì)飲食攝入的影響。汗液中苯丙氨酸的代謝途徑以及運(yùn)動(dòng)期間由于蛋白質(zhì)攝入導(dǎo)致的血清和汗液苯丙氨酸水平的波動(dòng)，不同BMI受試者在運(yùn)動(dòng)三個(gè)階段（包括蛋白質(zhì)飲食攝入前后以及休息后）的汗液苯丙氨酸水平的動(dòng)態(tài)變化，有助于幫助研究不同體質(zhì)人群在運(yùn)動(dòng)時(shí)的代謝差異。傳感器測(cè)量的汗液苯丙氨酸濃度與酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）讀數(shù)的比較，驗(yàn)證了傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性。此外，該研究還展示了HaCaT細(xì)胞在生物相容性測(cè)試后的相對(duì)細(xì)胞活力，評(píng)估了生物微流控芯片的安全性和生物相容性。這表明生物微流控芯片適合長(zhǎng)時(shí)間佩戴和汗液多模式檢測(cè)。這些結(jié)果表明，通過(guò)引入汗液速率來(lái)減少個(gè)體間變異，汗液苯丙氨酸分泌率是一個(gè)潛在的合適指標(biāo)，可用于研究血清和汗液苯丙氨酸之間的相關(guān)性。

圖5 原位汗液苯丙氨酸分析，用于評(píng)估血清水平和蛋白質(zhì)飲食攝入效果

綜上所述，該研究利用可穿戴多模式生物微流控芯片對(duì)人體運(yùn)動(dòng)期間汗液中的苯丙氨酸和氯離子濃度以及汗液速率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)代謝狀態(tài)的定量評(píng)估。這種生物微流控芯片整合了三個(gè)功能模塊，包括電催化活性分子印跡聚合物（MIP）修飾的電化學(xué)電極、多功能微流控模塊以及與無(wú)線柔性電路和移動(dòng)軟件的集成。研究團(tuán)隊(duì)利用這種生物微流控芯片方法，探討了不同BMI值的人體受試者群體之間苯丙氨酸水平的變化，并分析了苯丙氨酸進(jìn)入汗液的可能機(jī)制。

此外，通過(guò)使用復(fù)合指標(biāo)——苯丙氨酸分泌率（SP），研究人員評(píng)估了具有不同生理特征的志愿者的運(yùn)動(dòng)代謝狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)。最后，研究展示了汗液和血清苯丙氨酸水平之間的相似和強(qiáng)相關(guān)性，特別是在通過(guò)汗液速率歸一化減少個(gè)體間變異后。這些發(fā)現(xiàn)揭示了可穿戴多模式微流控系統(tǒng)在基于汗液的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)和飲食管理中的潛在實(shí)用性。

審核編輯：劉清