近日，西北大學John A. Rogers院士、Roozbeh Ghaffari、Da Som Yang等人在Science上綜述了皮膚界面微流體系統用于評估健康狀況和化學品暴露的相關進展。
皮膚中的小汗腺是巧妙的蒸發冷卻系統的關鍵組成部分。它們的作用由交感神經系統以適應性閉環方式控制，以幫助在體力或腦力消耗或暴露于高溫期間維持熱穩態。出汗不僅可以帶走熱量，還有助于排出體內其他化學物質和代謝物。工程學的最新進展使小汗腺汗液能夠以軟微流體分析系統的形式用于診斷目的，該系統輕輕粘附在皮膚上，用于原位捕獲、存儲和直接來源的微升樣品的生化評估。這些非侵入性技術為使用汗液評估健康狀況和化學平衡、篩查疾病狀況、監測基本化學物質的損失以及檢測微量毒素或外源性試劑創造了廣泛的可能性，而無需外部樣本采集和分析。小汗腺出現在身體的所有區域；在大多數情況下，它們是造成汗液流失總量最大的原因。 真皮層中存在的另外兩種主要類型的汗腺：頂泌汗腺和頂外分泌汗腺，產生的汗液具有相對復雜和多變的化學成分。它們也可以從特定的解剖區域進行，考慮到它們的位置和毛發覆蓋率，這些區域不容易進入。這些考慮促使選擇外分泌腺作為汗液分析的中心焦點。汗液檢測的歷史標準依賴于收集到吸收墊或管中，然后使用臺式儀器進行分析。以這種方式測定出汗動態和汗液含量的定量測量為生理健康、心理壓力、營養平衡和接觸外來物質提供了重要的見解。公認的例子包括基于氯化物濃度的囊性纖維化 (CF) 醫學檢測、通過痕量分析對禁用物質進行藥物篩選，以及監測水和電解質流失的運動表現水合狀態。與血液和間質液采樣不同，汗液是非侵入式采集的，還避免了與其他非侵入性生物流體（如唾液、眼淚和尿液）相關的污染、刺激和不便等問題。然而，對專業設備、熟練技術人員和嚴格協議的要求限制了汗液在常規診斷中的廣泛應用。可穿戴微流體貼片可以在幾乎任何環境下以一種簡單、經濟高效且無創的方式進行實時分析，而無需經過培訓的人員。這些設備通常針對單一或特定的一組化合物，而不是廣譜的汗液成分。然而，汗液樣本的原位分析可應用于廣泛的醫學相關應用，包括 CF 疾病篩查、腎臟疾病管理、壓力水平追蹤、免疫反應監測以及處方藥使用指導。
皮膚接口微流體裝置利用小汗腺的自然泵送作用，起源于分泌圈，通過管狀腔連接到穿過真皮和表皮的導管，終止于皮膚表面。圍繞這些線圈的膽堿能神經末梢的刺激驅使Ca2+離子流入周圍細胞，并導致 Cl- 和 Na+ 離子轉運到管腔中。NaCl濃度相對于周圍細胞和間隙空間的相應增加會產生滲透壓梯度，將水驅入管腔，最終表現為汗液從皮膚毛孔中排出。流速和從皮膚釋放的汗液量取決于健康和水合作用狀態的基本方面。此外，主動和被動運輸機制導致化學成分多樣化，涵蓋數百種成分，包括電解質、代謝物、激素、蛋白質、藥物、營養素、有機污染物和重金屬毒素?；谶@些物種濃度的診斷見解受益于并且經常需要精確的出汗率知識；累積的汗液流失量；通常還有體溫、體力消耗和心肺活動。這些測量的能力來自最近開發的技術。柔軟、靈活的微流體系統可以與皮膚建立堅固、防水的粘合界面。當汗液從皮膚毛孔中流出時，這些皮膚貼片會直接收集汗液，通過設備底部的入口端口進入微通道和微閥網絡，再到微儲液器進行存儲、傳感或兩者兼而有之。這些設備可以測量汗液釋放的動態。監測局部出汗率和累積出汗量可以跟蹤全身參數，以估計出汗造成的電解質和其他化學物質的流失。這種傳感能力源于利用微流體系統進行汗液捕獲、存儲和生物標記分析的設備。集成閥允許在不混合的情況下按順序路由到相應的儲液器中，作為隨著時間的推移對一致體積的汗液樣本進行計時分離的基礎。這些傳感器針對單個生物標志物的標準臨床檢測進行了驗證，例如氣相色譜-質譜法或高效液相色譜法。用于捕獲、處理和分析微量汗液的微流控汗液裝置對于實現汗液生物標志物標準化以及降低環境污染或遠程設置中處理錯誤的風險至關重要。比色和熒光指示劑以及化學測定可以對汗液動力學、損失和化學進行定量評估。通過顏色或熒光強度的變化對汗液生物標志物做出反應的化學物質允許通過分析從微流體結構的透明區域收集的數字圖像進行定量測量。可能的生物標志物的例子包括葡萄糖、乳酸鹽、肌酐、氨、尿素、氯化物、鈉、鋅、鐵、鈣、維生素C、pH、黃嘌呤、酮和酒精。電化學傳感器和相關的無線電子設備可以支持化學分析中的其他選項。葡萄糖、乳酸鹽、氨、尿酸、鉀、鈉、氯化物、鈣、鋅、銅、鎘、鉛、汞、維生素C、皮質醇、咖啡因、pH、左旋多巴、甲基黃嘌呤、酪氨酸、雙嘧達莫、對乙酰氨基酚、 尼古丁和酒精。電化學分析允許對廣泛的分析物進行連續監測和應用，但會增加設備成本，并根據電源和數據通信的要求對耐磨性產生限制。在所有情況下，設備操作都需要通過刺激體溫調節反應來激活外分泌腺，最有效地應用于暴露于溫暖潮濕環境（如桑拿、浴缸或淋?。┗驈氖洛憻挼慕】党赡耆?。對于嬰兒、老年患者或其他弱勢群體，新興的替代方案包括通過藥物通過皮膚的離子電滲傳輸誘導出汗的系統，以及微流體設備設計，用于捕獲持續從皮膚表面冒出的微小汗液，稱為無感汗液。這些可穿戴技術的初始版本廣泛用于醫療診斷和水合作用監測的商業用途。前者的一個突出例子是測量汗液中氯化物的濃度以進行 CF 篩查，使用具有監管認證的套件在盤管中捕獲汗液，然后使用臺式氯度計分析提取的樣本。先進技術利用薄微流體“貼紙”，支持基于氯化物測定的收集和原位比色讀出。這種形式的分析提供了CF的實時臨床級篩查，無需經過培訓的人員或臺式化學分析儀，其價格（~10 美元）只是現有臨床級汗液測試（~250 美元）的一小部分。微流體貼紙是臨床標準的簡單、低成本替代品，具有更高的可靠性和適用于快速的家庭測試和廣泛部署。用于醫療應用的可穿戴汗液感應平臺的研究實例出現在文獻中，但尚未獲得美國食品和藥物管理局 (FDA) 的批準。該應用范圍包括檢測痛風和腎臟疾病的汗液尿素；監測皮質醇以進行身體和認知壓力管理；跟蹤細胞因子 [例如白細胞介素 1α (IL-1α)、IL-1β、IL-6、IL-8、腫瘤壞死因子 (TNF) 和轉化生長因子-β (TGF-β)] 以評估免疫響應；指導帕金森病患者使用左旋多巴等神經系統疾病相關藥物。該設備概念的消費版本現已可用于運動性能應用，以確定因出汗導致的全身水和電解質流失。 該系統與智能手機應用程序配對，提供定量、個性化的反饋以指導補水和補充。最近的平臺既擴展了汗液監測的這些功能，又增加了補充生物物理參數的傳感器。一個這樣的系統監測急救人員和體力勞動者的中暑和脫水跡象。該技術將一次性使用的皮膚接口微流體系統與用于數字傳感、無線通信、觸覺警報、數據存儲和分析的多用途無線電子模塊集成在一起。對石油和天然氣行業的消防員和工人進行的大規模驗證研究涉及連續測量出汗率、汗液流失、電解質流失、皮膚溫度和身體活動。其他商業設備將電化學傳感器集成到腕帶中，以測量汗液中乙醇的濃度，作為血液酒精的替代品。評估汗液中的其他生物標志物需要先進的分析技術，通過使用吸收墊、管或微流體系統收集汗液樣本，每個系統都獲得 FDA 許可和注冊。應用包括篩選藥物（如芬太尼、羥考酮或氫嗎啡酮）和測量炎癥細胞因子，如 IL-6。正在進行的努力旨在為這些和其他生物標志物（如皮質醇）建立橫向流動分析，并可選擇集成到微流體平臺中，該平臺還支持可編程模塊以主動誘導汗液進行分析或釋放成分以透皮遞送藥物、維生素和化學興奮劑。從人體生理學的角度來看，汗液已被確立為一種身體必需物質流失的機制，也是暴露于外源性化學物質的二元指標。相比之下，汗液化學和血液化學的某些方面之間的關系仍然知之甚少。解決這些不確定性的研究可以應用于已知的汗液生物標志物和新發現的生物標志物，以進一步擴大臨床應用的選擇范圍。隨著先進的電化學傳感器、汗液收集策略、閉環反饋系統以及經皮藥物和補充劑輸送模塊的加入，未來版本的軟微流體平臺可能會實現全自動操作模式，將醫學生物標志物的測量與臨床報告和相應的藥物和營養輸送。Sweat as a diagnostic biofluid. Science 2023.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq5916
