近日，西北大学John A. Rogers院士、Roozbeh Ghaffari、Da Som Yang等人在Science上综述了皮肤界面微流体系统用于评估健康状况和化学品暴露的相关进展。
皮肤中的小汗腺是巧妙的蒸发冷却系统的关键组成部分。它们的作用由交感神经系统以适应性闭环方式控制，以帮助在体力或脑力消耗或暴露于高温期间维持热稳态。出汗不仅可以带走热量，还有助于排出体内其他化学物质和代谢物。工程学的最新进展使小汗腺汗液能够以软微流体分析系统的形式用于诊断目的，该系统轻轻粘附在皮肤上，用于原位捕获、存储和直接来源的微升样品的生化评估。这些非侵入性技术为使用汗液评估健康状况和化学平衡、筛查疾病状况、监测基本化学物质的损失以及检测微量毒素或外源性试剂创造了广泛的可能性，而无需外部样本采集和分析。小汗腺出现在身体的所有区域；在大多数情况下，它们是造成汗液流失总量最大的原因。 真皮层中存在的另外两种主要类型的汗腺：顶泌汗腺和顶外分泌汗腺，产生的汗液具有相对复杂和多变的化学成分。它们也可以从特定的解剖区域进行，考虑到它们的位置和毛发覆盖率，这些区域不容易进入。这些考虑促使选择外分泌腺作为汗液分析的中心焦点。汗液检测的历史标准依赖于收集到吸收垫或管中，然后使用台式仪器进行分析。以这种方式测定出汗动态和汗液含量的定量测量为生理健康、心理压力、营养平衡和接触外来物质提供了重要的见解。公认的例子包括基于氯化物浓度的囊性纤维化 (CF) 医学检测、通过痕量分析对禁用物质进行药物筛选，以及监测水和电解质流失的运动表现水合状态。与血液和间质液采样不同，汗液是非侵入式采集的，还避免了与其他非侵入性生物流体（如唾液、眼泪和尿液）相关的污染、刺激和不便等问题。然而，对专业设备、熟练技术人员和严格协议的要求限制了汗液在常规诊断中的广泛应用。可穿戴微流体贴片可以在几乎任何环境下以一种简单、经济高效且无创的方式进行实时分析，而无需经过培训的人员。这些设备通常针对单一或特定的一组化合物，而不是广谱的汗液成分。然而，汗液样本的原位分析可应用于广泛的医学相关应用，包括 CF 疾病筛查、肾脏疾病管理、压力水平追踪、免疫反应监测以及处方药使用指导。
皮肤接口微流体装置利用小汗腺的自然泵送作用，起源于分泌圈，通过管状腔连接到穿过真皮和表皮的导管，终止于皮肤表面。围绕这些线圈的胆碱能神经末梢的刺激驱使Ca2+离子流入周围细胞，并导致 Cl- 和 Na+ 离子转运到管腔中。NaCl浓度相对于周围细胞和间隙空间的相应增加会产生渗透压梯度，将水驱入管腔，最终表现为汗液从皮肤毛孔中排出。流速和从皮肤释放的汗液量取决于健康和水合作用状态的基本方面。此外，主动和被动运输机制导致化学成分多样化，涵盖数百种成分，包括电解质、代谢物、激素、蛋白质、药物、营养素、有机污染物和重金属毒素。基于这些物种浓度的诊断见解受益于并且经常需要精确的出汗率知识；累积的汗液流失量；通常还有体温、体力消耗和心肺活动。这些测量的能力来自最近开发的技术。柔软、灵活的微流体系统可以与皮肤建立坚固、防水的粘合界面。当汗液从皮肤毛孔中流出时，这些皮肤贴片会直接收集汗液，通过设备底部的入口端口进入微通道和微阀网络，再到微储液器进行存储、传感或两者兼而有之。这些设备可以测量汗液释放的动态。监测局部出汗率和累积出汗量可以跟踪全身参数，以估计出汗造成的电解质和其他化学物质的流失。这种传感能力源于利用微流体系统进行汗液捕获、存储和生物标记分析的设备。集成阀允许在不混合的情况下按顺序路由到相应的储液器中，作为随着时间的推移对一致体积的汗液样本进行计时分离的基础。这些传感器针对单个生物标志物的标准临床检测进行了验证，例如气相色谱-质谱法或高效液相色谱法。用于捕获、处理和分析微量汗液的微流控汗液装置对于实现汗液生物标志物标准化以及降低环境污染或远程设置中处理错误的风险至关重要。比色和荧光指示剂以及化学测定可以对汗液动力学、损失和化学进行定量评估。通过颜色或荧光强度的变化对汗液生物标志物做出反应的化学物质允许通过分析从微流体结构的透明区域收集的数字图像进行定量测量。可能的生物标志物的例子包括葡萄糖、乳酸盐、肌酐、氨、尿素、氯化物、钠、锌、铁、钙、维生素C、pH、黄嘌呤、酮和酒精。电化学传感器和相关的无线电子设备可以支持化学分析中的其他选项。葡萄糖、乳酸盐、氨、尿酸、钾、钠、氯化物、钙、锌、铜、镉、铅、汞、维生素C、皮质醇、咖啡因、pH、左旋多巴、甲基黄嘌呤、酪氨酸、双嘧达莫、对乙酰氨基酚、 尼古丁和酒精。电化学分析允许对广泛的分析物进行连续监测和应用，但会增加设备成本，并根据电源和数据通信的要求对耐磨性产生限制。在所有情况下，设备操作都需要通过刺激体温调节反应来激活外分泌腺，最有效地应用于暴露于温暖潮湿环境（如桑拿、浴缸或淋浴）或从事锻炼的健康成年人。对于婴儿、老年患者或其他弱势群体，新兴的替代方案包括通过药物通过皮肤的离子电渗传输诱导出汗的系统，以及微流体设备设计，用于捕获持续从皮肤表面冒出的微小汗液，称为无感汗液。这些可穿戴技术的初始版本广泛用于医疗诊断和水合作用监测的商业用途。前者的一个突出例子是测量汗液中氯化物的浓度以进行 CF 筛查，使用具有监管认证的套件在盘管中捕获汗液，然后使用台式氯度计分析提取的样本。先进技术利用薄微流体“贴纸”，支持基于氯化物测定的收集和原位比色读出。这种形式的分析提供了CF的实时临床级筛查，无需经过培训的人员或台式化学分析仪，其价格（~10 美元）只是现有临床级汗液测试（~250 美元）的一小部分。微流体贴纸是临床标准的简单、低成本替代品，具有更高的可靠性和适用于快速的家庭测试和广泛部署。用于医疗应用的可穿戴汗液感应平台的研究实例出现在文献中，但尚未获得美国食品和药物管理局 (FDA) 的批准。该应用范围包括检测痛风和肾脏疾病的汗液尿素；监测皮质醇以进行身体和认知压力管理；跟踪细胞因子 [例如白细胞介素 1α (IL-1α)、IL-1β、IL-6、IL-8、肿瘤坏死因子 (TNF) 和转化生长因子-β (TGF-β)] 以评估免疫响应；指导帕金森病患者使用左旋多巴等神经系统疾病相关药物。该设备概念的消费版本现已可用于运动性能应用，以确定因出汗导致的全身水和电解质流失。 该系统与智能手机应用程序配对，提供定量、个性化的反馈以指导补水和补充。最近的平台既扩展了汗液监测的这些功能，又增加了补充生物物理参数的传感器。一个这样的系统监测急救人员和体力劳动者的中暑和脱水迹象。该技术将一次性使用的皮肤接口微流体系统与用于数字传感、无线通信、触觉警报、数据存储和分析的多用途无线电子模块集成在一起。对石油和天然气行业的消防员和工人进行的大规模验证研究涉及连续测量出汗率、汗液流失、电解质流失、皮肤温度和身体活动。其他商业设备将电化学传感器集成到腕带中，以测量汗液中乙醇的浓度，作为血液酒精的替代品。评估汗液中的其他生物标志物需要先进的分析技术，通过使用吸收垫、管或微流体系统收集汗液样本，每个系统都获得 FDA 许可和注册。应用包括筛选药物（如芬太尼、羟考酮或氢吗啡酮）和测量炎症细胞因子，如 IL-6。正在进行的努力旨在为这些和其他生物标志物（如皮质醇）建立横向流动分析，并可选择集成到微流体平台中，该平台还支持可编程模块以主动诱导汗液进行分析或释放成分以透皮递送药物、维生素和化学兴奋剂。从人体生理学的角度来看，汗液已被确立为一种身体必需物质流失的机制，也是暴露于外源性化学物质的二元指标。相比之下，汗液化学和血液化学的某些方面之间的关系仍然知之甚少。解决这些不确定性的研究可以应用于已知的汗液生物标志物和新发现的生物标志物，以进一步扩大临床应用的选择范围。随着先进的电化学传感器、汗液收集策略、闭环反馈系统以及经皮药物和补充剂输送模块的加入，未来版本的软微流体平台可能会实现全自动操作模式，将医学生物标志物的测量与临床报告和相应的药物和营养输送。Sweat as a diagnostic biofluid. Science 2023.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq5916
