通過汗液內源性氨基酸的原位監測可以為健康和代謝提供生理學見解。然而，現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，并且很少用于建立血液-汗液相關性，因為它們僅檢測單一濃度指標并忽視了汗液速率。
為了解決上述問題，中科院半導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電極和多功能微流控通道，能夠同時定量多種汗液指標，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相關性，進一步使得識別高代謝風險個體成為可能。通過追蹤運動期間因蛋白質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歸一化以減少個體間變異，展示了一種可靠的方法來關聯和分析汗液-血液苯丙氨酸水平，可用于個人健康監測。該研究以“Interindividual- and blood-correlated sweat phenylalanine multimodal analytical biochips for tracking exercise metabolism”為題發表在《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，用于感應多種指標，包括汗液中的苯丙氨酸和氯離子濃度，以及汗液速率，這些指標共同使得在運動期間對代謝狀態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，以維持穩定的檢測環境，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量指數（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。利用這種負相關性，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合指標——苯丙氨酸分泌率（SP），該指標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和風險。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性。所有這些展示揭示了可穿戴多模式系統在基于汗液的個性化運動和飲食管理中的潛在實用性。
E-MIP傳感器的電化學表征
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，以及在生理相關高濃度下對其他氨基酸的有效區分。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。傳感器的電化學特性通過循環伏安法和電化學阻抗譜進行了評估，顯示了在不同pH條件下對苯丙氨酸的響應穩定性。通過差分脈沖伏安法掃描，在10至1500?μM的苯丙氨酸濃度范圍內檢測到了峰電流讀數的明確增加，并確定了兩個線性關系。這些結果表明，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于其他檢測電極。
多用途微流控的設計和性能表征
圖3展示了為可穿戴汗液苯丙氨酸傳感器設計的多功能微流控模塊的設計和性能特征。結果表明，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，同時維持pH中性和高離子強度的溶液環境，以確保準確的汗液苯丙氨酸檢測。
用于評估運動代謝風險的傳感器評估
圖4展示了可穿戴多模式生物微流控芯片在動態運動汗液分析和代謝評估中的體內評估。受試者佩戴生物微流控芯片的照片和智能手機應用程序界面的截圖顯示了生物微流控芯片的實際應用和用戶界面。傳感器的超薄和柔性演示強調了其適合長時間佩戴的設計。硬件塊圖揭示了汗液傳感器的柔性電路，包括用于激發差分脈沖伏安法（DPV）電位和差異開路電位（OCP）測量的模塊，以及相應的多模式生物信號檢索、處理和傳輸功能。實時連續監測的圖表和從受試者額頭獲得的DPV數據提供了運動過程中汗液成分變化的實時信息。動態汗液苯丙氨酸測量和相應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性驗證了其作為運動代謝風險評估指標的潛力。通過汗液速率歸一化，可以減少個體間變異，從而更準確地評估血清和汗液苯丙氨酸水平之間的相關性。
汗液苯丙氨酸傳感器用于飲食管理和血清相關性的評估
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攝入導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（包括蛋白質飲食攝入前后以及休息后）的汗液苯丙氨酸水平的動態變化，有助于幫助研究不同體質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免疫吸附測定（ELISA）讀數的比較，驗證了傳感器測量的準確性。此外，該研究還展示了HaCaT細胞在生物相容性測試后的相對細胞活力，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，可用于研究血清和汗液苯丙氨酸之間的相關性。
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測，從而實現對代謝狀態的定量評估。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，通過使用復合指標——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和風險。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。這些發現揭示了可穿戴多模式微流控系統在基于汗液的個性化運動和飲食管理中的潛在實用性。
