高伟/张海霞首次提出将“实验室”搬到皮肤上：新型传感器的开发使用

来源：iNature

原标题：Nature Biotech：高伟/张海霞首次提出将“实验室”搬到皮肤上：新型传感器的开发使用

汗液是机体正常活动的代谢产物，富含大量与健康相关的生物标志物，而基于汗液检测的智能传感器件，则具有非侵入式和实时连续监测等优势，近年来成为可穿戴健康领域的研究重点。另一方面，当今社会的医疗体系大多是被动的，患者只有在发觉自身有明显的症状后才联系医生进行病情的诊断和医治。这种体系缺乏前期预判，也没有办法预防疾病发生，无法实现健康的实时监测。因此，科研人员致力于新型医疗模式的构建，配合可穿戴传感器件的快速发展，既不需要昂贵大型的医疗诊断器材又可节省专门的医护人员，从而实现实时性、前瞻性和个人化的医疗体系。

2019年11月25日，加州理工学院高伟与北京大学信息科学技术学院张海霞共同合作在Nature Biotechnology 在线发表题为“A laser-engraved wearable sensor for sensitive detection of uric acid and tyrosine in sweat”的研究论文，该研究提出了一种新型“皮肤上的实验室”概念，即通过全激光加工的方式，制备了集成式多模式皮肤传感贴片，并配合微流道结构与柔性电路板，实现了汗液多项微量生物信息的原位准确探测与实时新陈代谢管理。

鉴于人类汗液中存在丰富的生理信息，使用可穿戴式传感器从传统血液分析到原位汗液分析的过渡可以提供一种无创，连续的手段来监测代谢产物并指导个性化的营养和代谢管理。该智能传感器件在显示较高灵敏度的同时，兼具低成本、大规模制备等优势，具有让病人在家中非侵入式监测痛风、糖尿病、心脑血管等疾病的可能。这种准确实时的健康信息可以为病人提供辅助式健康管理，及时调整用药剂量及饮食作息。在不影响患者生活方式的同时，传感器可进行各项生理信号的长期监测与动态管理，为实时性、前瞻性、定制化的医疗健康大数据提供可能。

其中，加州理工大学博士生杨依然、北大信息学院博士生宋宇为论文的共同第一作者，高伟为论文通讯作者，Santa Clara大学On Shun Pak教授、Princeton大学Lailai Zhu博士、UCLA医学院Tzung K. Hsiai与Zhaoping Li教授、张海霞为论文合作者。

循环中的营养物和代谢物为人体的生物过程提供了有用的指标，其在生物流体中的浓度已被用于临床风险评估，诊断，预后和监测治疗结果。循环代谢物和营养素的浓度异常与健康状况如代谢综合征和心血管疾病有关。可穿戴设备，例如可穿戴汗液传感器，有可能捕获快速，连续且无创的健康状况：如汗液中的氯化物浓度是诊断囊性纤维化的金标准。

全激光加工智能多模式传感贴片

当前的可穿戴汗液传感器主要集中在通过离子选择传感器或酶电极监测有限数量的电解质和代谢产物上。在可穿戴传感器中，并不能分析尿酸（UA）和酪氨酸（Tyr）的情况。UA是心血管疾病、2型糖尿病和肾病的危险因素，并且已广泛用于临床上痛风（痛风是影响全球成千上万人的最常见的炎症性关节炎）的治疗。 酪氨酸（Tyr）是有条件的必需氨基酸，参与大脑的信号传导以及多巴胺和应激激素（例如去甲肾上腺素和肾上腺素）的产生。 酪氨酸（Tyr）浓度异常与代谢异常有关，例如酪氨酸血症，肝脏疾病，神经精神病和进食障碍。血清UA和Tyr的测定已经很好地用于代谢和营养管理。但是，关于汗液UA和Tyr的研究很少，尚未对其在动态健康监测和个性化干预中的用途进行研究。由于汗液中的UA和Tyr浓度低，因此具有挑战性。

该研究设计了传感器来应对这些主要技术挑战。微流体对于人体汗液采样至关重要，以最大程度地减少汗液污染和皮肤蒸发，并提供汗液动力学的高时间分辨率。在该研究中，报告了一个完全激光控制/加工的传感器，可同时进行汗液采样，化学传感和生命体征监测。 研究人员持续监测了温度，呼吸频率以及低浓度尿酸和酪氨酸。 

研究团队

鉴于人类汗液中存在丰富的生理信息，使用可穿戴式传感器从传统血液分析到原位汗液分析的过渡可以提供一种无创，连续的手段来监测代谢产物并指导个性化的营养和代谢管理。该智能传感器件在显示较高灵敏度的同时，兼具低成本、大规模制备等优势，具有让病人在家中非侵入式监测痛风、糖尿病、心脑血管等疾病的可能。这种准确实时的健康信息可以为病人提供辅助式健康管理，及时调整用药剂量及饮食作息。在不影响患者生活方式的同时，传感器可进行各项生理信号的长期监测与动态管理，为实时性、前瞻性、定制化的医疗健康大数据提供可能。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41587-019-0321-x