通過汗液內(nèi)源性氨基酸的原位監(jiān)測可以為健康和代謝提供生理學(xué)見解。然而，現(xiàn)有的氨基酸生物傳感器無法在運動期間定量評估代謝狀態(tài)，并且很少用于建立血液-汗液相關(guān)性，因為它們僅檢測單一濃度指標(biāo)并忽視了汗液速率。

為了解決上述問題，中科院半導(dǎo)體所王麗麗團隊介紹了一種可穿戴的多模式生物微流控芯片，它集成了先進的電化學(xué)電極和多功能微流控通道，能夠同時定量多種汗液指標(biāo)，包括苯丙氨酸（Phe）和氯離子，以及汗液速率。這種綜合測量方法揭示了個體間汗液苯丙氨酸水平與汗液速率之間的負(fù)相關(guān)性，進一步使得識別高代謝風(fēng)險個體成為可能。

通過追蹤運動期間因蛋白質(zhì)攝入引起的苯丙氨酸波動，并通過對汗液速率進行濃度指標(biāo)歸一化以減少個體間變異，展示了一種可靠的方法來關(guān)聯(lián)和分析汗液-血液苯丙氨酸水平，可用于個人健康監(jiān)測。該研究以“Interindividual- and blood-correlated sweat phenylalanine multimodal analytical biochips for tracking exercise metabolism”為題發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。

該研究介紹了一種可穿戴的多模式生物微流控芯片，用于感應(yīng)多種指標(biāo)，包括汗液中的苯丙氨酸和氯離子濃度，以及汗液速率，這些指標(biāo)共同使得在運動期間對代謝狀態(tài)進行定量評估成為可能。這種生物微流控芯片整合了三個功能模塊，用于先進的原位汗液檢測（圖1a）：（i）一個通過電催化活性分子印跡聚合物（MIP）修飾的電化學(xué)電極（E-MIP），用于直接和選擇性地確定汗液中苯丙氨酸；（ii）一個設(shè)計精良的多功能微流控模塊，允許快速汗液采樣、濃度刷新和pH緩沖，以維持穩(wěn)定的檢測環(huán)境，以及用于汗液損失測量的流速可視化；以及（iii）與匹配的無線柔性電路和移動軟件的集成。利用這種生物微流控芯片方法，研究了兩個具有不同身體質(zhì)量指數(shù)（BMI）值的人體檢測受試者群體之間苯丙氨酸水平的變化，這可以歸因于汗液速率的差異。利用這種負(fù)相關(guān)性，研究人員分析了苯丙氨酸進入汗液的可能機制。

此外，研究人員通過使用復(fù)合指標(biāo)——苯丙氨酸分泌率（SP），該指標(biāo)來源于汗液苯丙氨酸濃度（CP）和汗液速率（RW）（圖1b），評估了具有不同生理特征的志愿者的運動代謝狀態(tài)和風(fēng)險。最后，展示了在不同志愿者中，通過汗液速率歸一化減少個體間變異后，汗液和血清苯丙氨酸水平之間的相似和強相關(guān)性。所有這些展示揭示了可穿戴多模式系統(tǒng)在基于汗液的個性化運動和飲食管理中的潛在實用性。

圖1 可穿戴多模態(tài)生物芯片通過汗液分析評估運動代謝風(fēng)險和血清相關(guān)性的示意圖

E-MIP傳感器的電化學(xué)表征

圖2展示了E-MIP傳感器對苯丙氨酸檢測的特性，包括對苯丙氨酸的選擇性識別能力，以及在生理相關(guān)高濃度下對其他氨基酸的有效區(qū)分。此外，傳感器還展示了對L-苯丙氨酸與D-苯丙氨酸的對映體選擇性，這是由于使用了L-苯丙氨酸作為印跡模板。傳感器的電化學(xué)特性通過循環(huán)伏安法和電化學(xué)阻抗譜進行了評估，顯示了在不同pH條件下對苯丙氨酸的響應(yīng)穩(wěn)定性。通過差分脈沖伏安法掃描，在10至1500μM的苯丙氨酸濃度范圍內(nèi)檢測到了峰電流讀數(shù)的明確增加，并確定了兩個線性關(guān)系。這些結(jié)果表明，E-MIP電極在直接、選擇性和敏感地電催化氧化苯丙氨酸方面優(yōu)于其他檢測電極。

圖2 用于苯丙氨酸檢測的E-MIP傳感器的表征

多用途微流控的設(shè)計和性能表征

圖3展示了為可穿戴汗液苯丙氨酸傳感器設(shè)計的多功能微流控模塊的設(shè)計和性能特征。結(jié)果表明，微流控模塊能夠有效地提高汗液采樣的時間分辨率，并通過可視化流道提供汗液損失的實時讀數(shù)，同時維持pH中性和高離子強度的溶液環(huán)境，以確保準(zhǔn)確的汗液苯丙氨酸檢測。

圖3 用于汗液采樣的多用途微流控的設(shè)計和表征

用于評估運動代謝風(fēng)險的傳感器評估

圖4展示了可穿戴多模式生物微流控芯片在動態(tài)運動汗液分析和代謝評估中的體內(nèi)評估。受試者佩戴生物微流控芯片的照片和智能手機應(yīng)用程序界面的截圖顯示了生物微流控芯片的實際應(yīng)用和用戶界面。傳感器的超薄和柔性演示強調(diào)了其適合長時間佩戴的設(shè)計。硬件塊圖揭示了汗液傳感器的柔性電路，包括用于激發(fā)差分脈沖伏安法（DPV）電位和差異開路電位（OCP）測量的模塊，以及相應(yīng)的多模式生物信號檢索、處理和傳輸功能。實時連續(xù)監(jiān)測的圖表和從受試者額頭獲得的DPV數(shù)據(jù)提供了運動過程中汗液成分變化的實時信息。動態(tài)汗液苯丙氨酸測量和相應(yīng)的箱形圖比較了不同BMI值受試者的汗液苯丙氨酸水平，揭示了不同體質(zhì)人群在運動時的代謝差異。汗液苯丙氨酸分泌率與汗液氨基酸水平的正相關(guān)性驗證了其作為運動代謝風(fēng)險評估指標(biāo)的潛力。通過汗液速率歸一化，可以減少個體間變異，從而更準(zhǔn)確地評估血清和汗液苯丙氨酸水平之間的相關(guān)性。

圖4 可穿戴多模態(tài)生物微流控芯片用于動態(tài)運動汗液分析和評估的體內(nèi)評估

汗液苯丙氨酸傳感器用于飲食管理和血清相關(guān)性的評估

圖5顯示了實時汗液苯丙氨酸分析，用于評估運動期間血清水平和蛋白質(zhì)飲食攝入的影響。汗液中苯丙氨酸的代謝途徑以及運動期間由于蛋白質(zhì)攝入導(dǎo)致的血清和汗液苯丙氨酸水平的波動，不同BMI受試者在運動三個階段（包括蛋白質(zhì)飲食攝入前后以及休息后）的汗液苯丙氨酸水平的動態(tài)變化，有助于幫助研究不同體質(zhì)人群在運動時的代謝差異。傳感器測量的汗液苯丙氨酸濃度與酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）讀數(shù)的比較，驗證了傳感器測量的準(zhǔn)確性。此外，該研究還展示了HaCaT細(xì)胞在生物相容性測試后的相對細(xì)胞活力，評估了生物微流控芯片的安全性和生物相容性。這表明生物微流控芯片適合長時間佩戴和汗液多模式檢測。這些結(jié)果表明，通過引入汗液速率來減少個體間變異，汗液苯丙氨酸分泌率是一個潛在的合適指標(biāo)，可用于研究血清和汗液苯丙氨酸之間的相關(guān)性。

圖5 原位汗液苯丙氨酸分析，用于評估血清水平和蛋白質(zhì)飲食攝入效果

綜上所述，該研究利用可穿戴多模式生物微流控芯片對人體運動期間汗液中的苯丙氨酸和氯離子濃度以及汗液速率進行實時監(jiān)測，從而實現(xiàn)對代謝狀態(tài)的定量評估。這種生物微流控芯片整合了三個功能模塊，包括電催化活性分子印跡聚合物（MIP）修飾的電化學(xué)電極、多功能微流控模塊以及與無線柔性電路和移動軟件的集成。研究團隊利用這種生物微流控芯片方法，探討了不同BMI值的人體受試者群體之間苯丙氨酸水平的變化，并分析了苯丙氨酸進入汗液的可能機制。

此外，通過使用復(fù)合指標(biāo)——苯丙氨酸分泌率（SP），研究人員評估了具有不同生理特征的志愿者的運動代謝狀態(tài)和風(fēng)險。最后，研究展示了汗液和血清苯丙氨酸水平之間的相似和強相關(guān)性，特別是在通過汗液速率歸一化減少個體間變異后。這些發(fā)現(xiàn)揭示了可穿戴多模式微流控系統(tǒng)在基于汗液的個性化運動和飲食管理中的潛在實用性。

審核編輯：劉清