女性荷尔蒙在女性生殖健康和整体身体功能中起着至关重要的作用。而医学当中对于女性荷尔蒙的监测可以帮助医生诊断患者生殖系统问题，如不孕症、月经不调、多囊卵巢综合征等。对于年龄较大的女性，尤其是绝经后的女性，监测雌激素水平可以协助评估骨密度和骨健康风险。而在治疗与健康管理方面，对于女性荷尔蒙的监测往往能够指导医生制定个性化的治疗计划，包括激素替代疗法（HRT）或其他治疗方法，以改善生殖健康、心血管健康和其他相关问题。然而，目前对于女性荷尔蒙的检测通常需要浸入性抽血等方法。并且对其监测具有非常强的时间敏感性，许多女性荷尔蒙水平在一天内或一个月内发生显著波动，因此监测的时机至关重要，传统的实验室测试通常需要几天或更长时间来获取结果，这可能无法提供实时信息，尤其是对于需要快速干预的情况。此外，目前的检测方法费用高、可及性差（一些地区可能没有足够的医疗资源来进行广泛的监测）。
人体汗液是一种含有丰富的与个体生理状态密切相关的化学物质的体液。从传统的实验室分析转换到可穿戴汗液分析，可以提供一种无创和更加可行的远程女性荷尔蒙监测手段。然而，即使汗液中包含了与个体生理状态密切相关的化学物质，由于个体间和个体内的差异及超低的浓度水平，目前的可穿戴技术尚不能实现对女性荷尔蒙（如雌二醇）的无创监测。
近日，Nature Nanotechnology期刊在线发表了加州理工高伟(Wei Gao)课题组题为“A wearable aptamer nanobiosensor for non-invasive female hormone monitoring”的最新研究成果，博士后研究员叶萃和王敏强为该论文的共同第一作者。在此工作中，团队基于靶标诱导链置换适体开关原理设计并构筑了无线、微流控可穿戴传感平台，实现了汗液中痕量（pM）雌二醇的原位动态分析（图1.）。通过实时动态监测女性生理周期过程中，血液及汗液雌二醇水平的变化，首次发现了月经周期期间汗液雌二醇的周期性波动，验证了汗液和血液雌二醇之间的高度相关性，为女性荷尔蒙无创监测及健康管理提供了借鉴。
图1.可穿戴纳米生物传感器用于非侵入性无试剂女性生殖激素分析。
基于目标物诱导链置换原理，巧妙地设计了面对面的供体识别界面和受体工作电极。以喷墨打印得到的金纳米颗粒作为识别界面，在其上修饰雌二醇适体ssDNA序列，然后链接亚甲基蓝修饰的MB-ssDNA作为竞争探针。在喷墨打印得到的金纳米颗粒电极表面引入了具有优异导电性的二维片状材料MXene作为工作电极，在其表面修饰捕获ssDNA。当有雌二醇存在时，由于目标物分子与适体间的高亲和力，目标物分子将会被识别界面捕获，原本修饰在其上的MB-ssDNA将会被释放，进而被工作电极捕获，实现对雌二醇的定量分析（图2）。通过在工作电极表面施加正电荷，大大提高了MB-ssDNA的扩散过程，缩短了该雌二醇传感的孵育时间，为更加快速的雌二醇分析提供了可能。此类方法为更广谱的超低浓度分析物检测提供了借鉴。
图2.雌二醇纳米生物传感器的设计与表征
通过在电极系统中引入离子电渗方法实现了在无运动情况下自主排汗，设计了毛细管爆破阀微流控系统对汗液采样过程进行精准控制。考虑到个体差异以及汗液pH、离子强度、体表温度等对雌二醇传感信号的影响，在电极系统中引入了pH传感器、离子强度传感器及温度传感器对电极信号进行校准。最终将传感电极系统与自主设计的柔性印刷电路板结合，实现了在静态汗液基质中高度稳定的雌二醇分析（图3）。
图3.用于自动、原位雌二醇分析的微流控可穿戴集成系统。
通过对比女性受试者两个连续月经周期的汗液及血液中雌二醇水平，及黄体生成激素和体表温度情况，发现雌二醇水平能够提供更加准时的排卵预警，而黄体生成素以及体表温度均有一定程度的延迟。通过对汗液以及血液中雌二醇水平进行评估，发现汗液中雌二醇水平与血液中雌二醇水平呈现很好的相关性，因此可以能够通过汗液中雌二醇水平间接反映血液中雌二醇水平。通过应用无线微流控传感系统，对三位女性受试者的月经周期内的雌二醇水平进行评估，发现在第13天时，三位受试者的雌二醇水平均达到了峰值。这为无创女性荷尔蒙监测提供了借鉴。
图4. 微流控可穿戴系统对于女性月经周期的监控
这项工作代表了传感器、纳米技术、生物医学工程和精准医学领域的一项重大突破。通过材料、化学和工程方面的创新，这项工作解决了可穿戴生物传感器在多个领域的瓶颈，包括微量激素分析、DNA/适体传感、微流体技术和汗腺生理学。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01513-0
加州理工学院新闻：https://www.caltech.edu/about/news/wearable-patch-wirelessly-monitors-estrogen-in-sweat
论文背后的故事：https://materialscommunity.springernature.com/posts/a-wearable-female-hormone-monitor-for-women-s-health
叶萃 美国加州理工学院高伟教授课题组博士后。目前从事可穿戴生物传感、柔性电子、智能医疗等领域研究，专注于生物传感器构筑、激光切割微流控图案化设计、喷墨打印高通量电极阵列等。叶萃博士近年来在Nature Nanotechnology，Nature Biomedical Engineering, Matter, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition等期刊发表论文50余篇。总引用超过2100次，h-index为25。
王敏强 美国加州理工学院高伟教授课题组博士后，目前从事高度跨学科研究，重点开发可用于基础和应用生物医学研究的新型多功能能源材料和生物电子可穿戴系统。研究领域包括纳米材料、可穿戴设备、生物传感器、生物电子学、分析电化学、纳米技术、微流体、个性化医疗、电催化。王敏强博士近年来以第一作者/共同第一作者身份在Nature Biomedical Engineering, Nature Nanotechnology，Advanced Materials, Trends in Chemistry, Angewandte Chemie International Edition等 期刊发表学术论文19篇。总引用4200余次，h-index为33。于2022年获Baxter Young Investigator一等奖。
高伟教授现为加州理工学院医学工程助理教授和Ronald and JoAnne Willens特聘教授，2007年本科毕业于华中科技大学机械学院，2009年于清华大学精密仪器系获得硕士学位，2014年从加州大学圣地亚哥分校获得化学工程博士学位。2014年至2017年期间，在加州大学伯克利分校电子工程与计算科学系开展博士后工作研究。高伟教授现为Science Advances, Biosensors and Bioelecteronics, Sensors & Diagnostics, npj Flexible Electronics 期刊副主编，曾获评美国自然科学基金委杰出青年奖、国际医学与生物工程科学院杰出青年奖，海军研究总署青年科学家奖、斯隆研究奖、IEEE医学与生物学工程学会青年成就奖，IEEE传感器理事会技术成就奖，世界经济论坛青年科学家，美国化学会青年研究员奖等诸多奖项，入选麻省理工技术评论“35岁以下科技创新35人”全球榜单。他的研究方向包括可穿戴设备、生物传感器、柔性电子、微纳机器人与纳米医学等。
