第一作者：Rebeca M. Torrente-Rodríguez、Jiaobing Tu
通訊作者：高偉
通訊單位：加州理工學(xué)院
研究亮點(diǎn)：
1. 利用激光刻蝕大規(guī)模制備用于測(cè)量汗液中微量皮質(zhì)醇的石墨烯免疫傳感器。
2. 制備了全集成柔性無線汗液皮質(zhì)醇監(jiān)測(cè)平臺(tái)。
3. 人體研究揭示了汗液皮質(zhì)醇與血液皮質(zhì)醇可能存在較強(qiáng)的相關(guān)性
4. 首次證明汗液皮質(zhì)醇存在生理節(jié)奏，并在不同物理刺激下產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。
壓力過度——21世紀(jì)的全球性流行疾病
世界衛(wèi)生組織（World HealthOrganization, WHO）近年已經(jīng)將壓力過度定義為21世紀(jì)新的全球流行病1。研究數(shù)據(jù)顯示，全球約有10.7%的人口被抑郁癥，焦慮癥，創(chuàng)傷后遺癥等心理疾病困擾2。此外，還有相當(dāng)一部分人患有“亞”心理疾病或輕微心理異常。大約每三個(gè)人中，只有一個(gè)人可被列為心智健康。更有人稱，過度的壓力是疾病的根源。因此，迅速而有效的心理壓力檢測(cè)不僅有利于臨床心理疾病的診斷，更有助于人們進(jìn)行有效的日常壓力管理，提高人的工作效率。
然而，現(xiàn)有的問卷式壓力調(diào)查存在主觀性偏差，不僅不能量化壓力，更不能及時(shí)有效地進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)與管理。通常，血液中的皮質(zhì)醇（cortisol）含量可被用來量化人的壓力程度，因此皮質(zhì)醇又被稱為壓力激素，在人們蘇醒后三十分鐘時(shí)分泌量達(dá)到最高峰，之后會(huì)慢慢下降，直到睡覺前達(dá)到最低水平。短期與長(zhǎng)期的生理及心理壓力都會(huì)影響皮質(zhì)醇的分泌；皮質(zhì)醇下降幅度的快慢常被用來判斷人們壓力高低。人的汗液中含有微量的皮質(zhì)醇。盡管汗液皮質(zhì)醇在無創(chuàng)，及時(shí)壓力檢測(cè)方面有巨大的潛能，由于汗液采樣分析的難度及汗液中皮質(zhì)醇的低濃度，此前并沒有研究能夠證實(shí)汗液皮質(zhì)醇與壓力的相關(guān)性。
成果簡(jiǎn)介
近日，加州理工學(xué)院高偉教授課題組開發(fā)了一種可大規(guī)模制備的柔性石墨烯免疫傳感器，用于監(jiān)測(cè)汗液中的皮質(zhì)醇濃度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)評(píng)估精神壓力狀況3。
圖1. 全集成柔性無線汗液皮質(zhì)醇監(jiān)測(cè)平臺(tái)。
要點(diǎn)1：大規(guī)模石墨烯生物傳感器制備
在該工作中，作者利用激光刻蝕商業(yè)高分子膜進(jìn)行大規(guī)模三維石墨烯電極制備，然后利用電聚合的方式進(jìn)行方便，快捷的石墨烯表面修飾實(shí)現(xiàn)多模生物傳感器一次性制備。石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性為電子傳遞提供了良好的通道，且其超高的比表面積為固定更多生物識(shí)別位點(diǎn)提供了平臺(tái)，進(jìn)而達(dá)到識(shí)別極微量生物標(biāo)志物的目的。作者在緩沖溶液及兩種無創(chuàng)性體液（汗液和唾液）中測(cè)試了該設(shè)備的性能。并使用酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定對(duì)大量汗液樣本的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
圖2. 石墨烯生物傳感器設(shè)計(jì)及性能測(cè)試。
要點(diǎn)2：全集成柔性無線汗液皮質(zhì)醇監(jiān)測(cè)平臺(tái)
作者進(jìn)而將得到的柔性皮質(zhì)醇傳感器與印刷電路板進(jìn)行集成，得到的柔性設(shè)備尺寸僅為20×35×7.3 毫米，為可穿戴實(shí)時(shí)皮質(zhì)醇測(cè)試提供了良好的借鑒作用。值得注意的是，考慮到實(shí)際使用中的各種環(huán)境及人為誤差，作者在同一平臺(tái)上集成可三個(gè)工作電極實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一誤差的最小化。基于傳感器表面修飾的普遍性，未來三個(gè)工作電極可被進(jìn)一步改進(jìn)為三個(gè)不同的免疫傳感器，從而更全面地檢測(cè)汗液中不同的應(yīng)激激素。此外，作者針對(duì)性設(shè)計(jì)了微流控汗液收集模塊，且該設(shè)備在多次彎曲測(cè)試中表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。
圖3. 全集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)與彎曲測(cè)試。
要點(diǎn)3：汗液皮質(zhì)醇的生理節(jié)奏
作者對(duì)一位受試者的汗液皮質(zhì)醇進(jìn)行了六天的連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)并發(fā)現(xiàn)其汗液皮質(zhì)醇呈現(xiàn)與血液皮質(zhì)醇生理節(jié)奏相似的晝夜節(jié)律。作者進(jìn)一步將四位受試者的唾液及汗液與血清中的皮質(zhì)醇進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)各體液中的皮質(zhì)醇均呈現(xiàn)類似生理節(jié)奏。此外，該研究中的汗液皮質(zhì)醇濃度與同時(shí)段采集的血液及唾液皮質(zhì)醇濃度均呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性。
圖4. 汗液皮質(zhì)醇生理節(jié)奏人體研究。
要點(diǎn)4：汗液皮質(zhì)醇的應(yīng)激反應(yīng)
在發(fā)現(xiàn)汗液皮質(zhì)醇與血液皮質(zhì)醇的相關(guān)性之后，作者更進(jìn)一步對(duì)汗液皮質(zhì)醇的應(yīng)激反應(yīng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)研究。高強(qiáng)度體育訓(xùn)練可增強(qiáng)體內(nèi)皮質(zhì)醇分泌。作者研究了四位受試者的汗液皮質(zhì)醇并發(fā)現(xiàn)汗液皮質(zhì)醇也呈現(xiàn)類似應(yīng)激反應(yīng)。而且汗液皮質(zhì)醇的生理節(jié)奏對(duì)其應(yīng)激反應(yīng)程度也有所影響。
鑒于疼痛、焦慮與壓力有緊密的關(guān)系，作者利用臨床上用于疼痛控制研究的冷加壓實(shí)驗(yàn)對(duì)受試者進(jìn)行物理及心理刺激。在冷加壓實(shí)驗(yàn)中，受試者需要將手腕關(guān)節(jié)以下浸于冰水中，三分鐘后取出。離子電滲透法被用于受試者以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的人工發(fā)汗。作者對(duì)受試者在冷加壓前與冷加壓后約二十分鐘內(nèi)的汗液皮質(zhì)醇進(jìn)行檢測(cè)并發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)同樣引起汗液皮質(zhì)醇濃度的上升。由此可見，汗液皮質(zhì)醇對(duì)短期壓力刺激也可呈現(xiàn)應(yīng)激反應(yīng)。
圖5. 汗液皮質(zhì)醇在物理刺激下的應(yīng)激反應(yīng)。
小結(jié)
作者利用激光刻蝕及電聚合大規(guī)模制備的方式開發(fā)了全集成柔性無線汗液皮質(zhì)醇監(jiān)測(cè)平臺(tái)。基于可量化制備及高靈敏石墨烯生物傳感器等優(yōu)勢(shì)，作者進(jìn)行了多樣初步人體實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)汗液皮質(zhì)醇與體內(nèi)皮質(zhì)醇有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性并第一次在汗液皮質(zhì)醇中監(jiān)測(cè)到生理節(jié)奏以及應(yīng)激反應(yīng)。該研究為柔性可穿戴實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮質(zhì)醇濃度提供了良好的借鑒作用，并有望實(shí)現(xiàn)壓力過渡甚至抑郁癥的居家實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為取代集中式醫(yī)院護(hù)理，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化壓力監(jiān)測(cè)與情緒管理指明了方向。
文獻(xiàn)鏈接
Rebeca M. Torrente-Rodríguez, et al. Investigation ofCortisol Dynamics in Human Sweat Using a Graphene-Based Wireless mHealth System.Matter.
DOI: 10.1016/j.matt.2020.01.021
https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30021-7
參考文獻(xiàn)
1. http://scitechconnect.elsevier.com/stress-health-epidemic-21st-century/
2. https://ourworldindata.org/mental-health
3. https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30021-7
