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- 发布日期：2024-01-27 08:12 点击次数：170
通过对汗液中源性氨基酸的原位监测，可以为健康和新陈代谢提供生理见解。然而，现有的氨基酸生物传感器在运动期间不能定量评估新陈代谢状态，很少用于建立血液汗液相关性，因为它们只检测单一浓度指标，忽略汗液速率。
为了解决上述问题，中国科学院半导体研究所王丽丽团队介绍了一种可穿戴的多模式生物微流控芯片，集成了先进的电化学电极和多功能微流控通道，可同时定量各种汗液指标，包括苯丙氨酸（Phe）和氯离子，以及汗速。这种综合测量方法揭示了个体汗液苯丙氨酸水平与汗液速率之间的负相关性，进一步使个体有可能识别高代谢风险。 通过跟踪运动过程中蛋白质摄入引起的苯丙氨酸波动，将汗液速率浓度指标整合，减少个体间变异，展示了一种可靠的关联和分析汗液-血液苯丙氨酸水平的方法，可用于个人健康监测。该研究以“Interindividual- and blood-correlated sweat phenylalanine multimodal analytical biochips for tracking exercise metabolism题目发表在《Nature Communications》期刊上。
本研究介绍了一种可穿戴的多模式生物微流控制芯片，用于感应各种指标，包括苯丙氨酸和氯离子浓度以及汗液中的汗液速率，这使得在运动过程中可以定量评估代谢状态。该生物微流控芯片集成了先进的原位汗液检测(图1a)三个功能模块：（i）聚合物通过电催化活性分子印记（MIP）修饰的电化学电极（E-MIP），用于汗液中苯丙氨酸的直接和选择性确定；（ii）多功能微流控模块设计精良，能快速采样汗液，刷新浓度，缓冲pH，保持稳定的检测环境，以及汗液损失测量的流速可视化；以及（iii）集成匹配的无线柔性电路和移动软件。利用这种生物微流控芯片方法，研究了两种身体质量指数不同的方法（BMI）由于汗速率的差异，人体检测受试者之间苯丙氨酸水平的变化。利用这种生物微流控芯片方法，研究了两种身体质量指数不同的方法（BMI）由于汗速率的差异，人体检测受试者之间苯丙氨酸水平的变化。利用这种负相关性，研究人员分析了苯丙氨酸进入汗液的可能性机制。 另外，通过使用复合指标-苯丙氨酸分泌率，研究人员（SP）， 亿配芯城 该指标来源于汗液苯丙氨酸浓度（CP）和汗液速率（RW）(图1b)评估了具有不同生理特征的志愿者的运动代谢状态和风险。最后，它显示了汗液与血清苯丙氨酸水平的相似性和强相关性，在不同志愿者中，通过汗速率归一化减少个体间变异。所有这些展示都揭示了基于汗液的个性化运动和饮食管理中可穿戴多模式系统的潜在实用性。
图1 通过汗液分析评估运动代谢风险和血清相关性的示意图，可穿戴多模态生物芯片
E-MIP传感器的电化学表征
图2显示了E-MIP传感器对苯丙氨酸的检测特性，包括对苯丙氨酸的选择性识别能力，以及在生理相关高浓度下对其他氨基酸的有效区分。此外，由于使用L-苯丙氨酸作为印迹模板，传感器还显示了L-苯丙氨酸和D-苯丙氨酸的对映选择性。通过循环伏安法和电化学阻抗谱评估了传感器的电化学特性，显示了苯丙氨酸在不同pH条件下的响应稳定性。在10到15000之间进行差分脉冲伏安法扫描μ在M的苯丙氨酸浓度范围内检测到峰电流读数的明显增加，并确定了两种线性关系。这些结果表明，E-MIP电极在直接、选择性和敏感的电催化氧化苯丙氨酸方面优于其他检测电极。
图2 E-MIP传感器用于苯丙氨酸检测的表征
多用途微流控的设计和性能表现
图3显示了为可穿戴汗液苯丙氨酸传感器设计的多功能微流量控制模块的设计和性能特点。结果表明，微流量控制模块可以有效地提高汗液采样的时间分辨率，并通过可视化流道提供汗液损失的实时读数，保持pH中性和高离子强度的溶液环境，以确保汗液苯丙氨酸的准确检测。
图3 多用途微流控的设计和表征用于汗液采样
用于评估运动代谢风险的传感器
图4显示了动态运动汗液分析和代谢评估中可穿戴多模式生物微流控芯片的体内评估。受试者佩戴生物微流控芯片的照片和智能手机应用界面的截图显示了生物微流控芯片的实际应用和用户界面。传感器的超薄柔性演示强调了其适合长时间佩戴的设计。硬件块图揭示了汗液传感器的柔性电路，包括刺激差异脉冲伏安法（DPV）开路电位的电位和差异（OCP）测量模块，以及相应的多模式生物信号检索、处理和传输功能。从受试者额头获得的实时连续监控图表和DPV数据提供了运动过程中汗液成分变化的实时信息。动态汗苯丙氨酸测量和相应的箱形图比较了不同BMI值受试者的汗苯丙氨酸水平，揭示了不同体质人群在运动中的代谢差异。汗液苯丙氨酸分泌率与汗液氨基酸水平的正相关性验证了其作为运动代谢风险评估指标的潜力。血清与汗液苯丙氨酸水平的相关性可以通过将汗液速率归一化来减少个体间变异，从而更准确地评估。
图4 可穿戴多模态生物微流控芯片用于动态运动汗液分析和评估的体内评估
汗液苯丙氨酸传感器用于评估饮食管理和血清相关性
图5显示了对运动期间血清水平和蛋白质饮食摄入的影响进行实时汗液苯丙氨酸分析。汗液中苯丙氨酸的代谢途径以及运动过程中蛋白质摄入引起的血清和汗液中苯丙氨酸水平的波动。不同BMI受试者汗液中苯丙氨酸水平的动态变化（包括蛋白质饮食摄入前后和休息后）有助于研究不同体质人群在运动过程中的代谢差异。传感器测量的汗液苯丙氨酸浓度和酶联免疫吸附（ELISA）读数的比较验证了传感器测量的准确性。此外，该研究还展示了Hacat细胞在生物相容性测试后的相对细胞活力，并评估了生物微流控芯片的安全性和生物相容性。这表明生物微流控芯片适用于长期佩戴和汗液多模式检测。这些结果表明，汗苯丙氨酸分泌率是研究血清与汗苯丙氨酸之间的相关性的潜在合适指标。
图5 用于评估血清水平和蛋白质饮食摄入效果的原位汗苯丙氨酸分析
综上所述，本研究利用可穿戴的多模式生物微流控制芯片实时监测人体运动期间汗液中苯丙氨酸、氯离子浓度和汗液速率，实现代谢状态的定量评价。该生物微流控芯片集成了电催化活性分子印记聚合物三个功能模块（MIP）与无线柔性电路和移动软件集成的电化学电极、多功能微流控模块。利用这种生物微流控芯片方法，研究小组讨论了不同BMI值人体受试者之间苯丙氨酸水平的变化，并分析了苯丙氨酸进入汗液的可能性机制。 此外，通过使用复合指标-苯丙氨酸分泌率（SP），研究人员评估了具有不同生理特征的志愿者的运动代谢状态和风险。最后，研究展示了汗液与血清苯丙氨酸水平的相似性和强相关性，特别是在汗液速率归一化减少个体变异后。这些发现揭示了基于汗液的个性化运动和饮食管理中可穿戴多模式微流控系统的潜在实用性。
审核编辑：刘清