医疗科技评论 | 智能可穿戴设备助力连续监测皮质醇水平

监测应激反应生物标志物水平对于特定疾病的诊断、治疗结果的预测和健康状况的监测非常重要。皮质醇被称为压力激素，受下丘脑-垂体-肾上腺 （HPA） 轴的调节。长期压力可导致抑郁等情绪障碍，这可能导致皮质醇持续升高。这种慢性升高可导致腹部肥胖和肌肉分解代谢。因此，皮质醇检测有望从诊断 HPA 轴疾病的专用工具演变为日常健康监测的常规做法。目前，定量皮质醇的金标准包括频繁的静脉取样和使用液相色谱-串联质谱 （LC-MS/MS） 和免疫测定的实验室分析。然而，这些方法需要医疗就诊、复杂的样本处理和复杂的设备。最新的一些研究中，研究者们已经向紧凑型移动检测系统和可穿戴传感平台进行了重大转变，用于连续皮质醇监测 （CCM），增强了在家庭环境中有效解决压力和抑郁的能力。

4月17日，《科学·通报》发表的一项突破性研究推出了一种计算辅助的连续皮质醇监测系统（CWSCCM），该系统利用了原位再生分子印迹聚合物 （MIP）、信号放大器有机电化学晶体管 （OECT）、基于离子电渗疗法的汗液诱导和微流体汗液采样的尖端跨学科技术，实现了汗液中皮质醇的连续监测，为个性化健康管理开辟了新天地。

压力管理的挑战与皮质醇监测的意义

压力是现代人生活中不可避免的一部分。长期的压力可能导致一系列健康问题，包括心血管疾病、免疫系统抑制以及精神健康问题，如焦虑和抑郁。而皮质醇被称为“压力激素”，它的水平变化直接与身体的压力反应相关。因此，持续监测皮质醇水平，能够为早期发现和干预压力相关疾病提供重要依据。

然而，传统的皮质醇检测方法（如血液和尿液测试）存在不少局限性。首先，这些检测方法往往需要到医院或实验室进行，既不方便也无法实时反映个体的生理状态。其次，血液和尿液样本处理复杂，且结果通常延迟。因此，如何实现一个高效、便捷且能够实时监测的皮质醇检测系统，成为了研究的关键。

图1 用于汗液分析的 CWSCCM 示意图

CWSCCM系统的创新与技术融合

该研究提出的CWSCCM系统，正是基于解决上述问题的需求而设计的。该系统将分子印迹聚合物（MIPs）、有机电化学晶体管（OECT）技术和微流控汗液采样技术有机结合，开创了皮质醇持续监测的新模式。

1. 分子印迹聚合物（MIPs）：MIPs是一类通过聚合反应形成的分子识别材料，其结构与目标分子（如皮质醇）相似，可以像天然的生物受体一样与目标分子特异性结合。与传统的抗体或适配子相比，MIPs具有更高的稳定性和环境适应性，且不需要复杂的再生步骤。因此，MIPs成为了CWSCCM系统中用于皮质醇检测的核心识别元件。

   
   

2. 有机电化学晶体管（OECT）技术：OECT是一种在低电压下工作、具有高跨导（transconductance）的电化学传感器。在CWSCCM系统中，OECT不仅负责放大信号，还能在皮质醇浓度发生变化时，敏感地捕捉到微小的电流变化，从而提高了系统的检测灵敏度。OECT与MIPs结合后，能够有效地放大由于皮质醇结合引起的电流变化，使得皮质醇的检测变得更加敏感和精确。

   
   

3. 微流控汗液采样技术：为了实现持续的皮质醇监测，CWSCCM系统使用了微流控技术来采集汗液。通过离子电渗作用，微流控模块能够刺激皮肤分泌汗液，并将其引导至传感器进行分析。这种无创且连续的采样方式，使得系统能够实时监测个体的皮质醇水平，而无需依赖于复杂的实验室操作。

图2 DFT 指导皮质醇 MIP 的优化

CWSCCM系统的创新性与实际意义

这项研究的意义不仅在于提出了一个全新的技术框架，还在于它解决了传统皮质醇监测方法中的多项难题。

1. 计算辅助的MIPs优化设计：传统的分子印迹聚合物设计通常依赖于经验，而本研究通过计算化学（密度泛函理论，DFT）优化了MIPs的设计，能够在分子层面预测不同单体与皮质醇的结合亲和力，从而提高了MIPs的选择性和灵敏度。这种计算辅助的设计方法，为未来的生物传感器材料开发提供了新的思路。

   
   

2. 皮质醇的原位再生：CWSCCM系统的另一大创新点在于采用了OECT和MIP结合的原位再生技术。通过施加负电压，能够将绑定的皮质醇分子从MIP层中释放出来，实现MIP的再生和传感器的多次使用。这一技术突破性地解决了传统传感器需要频繁更换识别元件的问题，提升了系统的可持续性和经济性。

   
   

3. 实时连续监测与个性化健康管理：CWSCCM系统能够实时、连续地监测皮质醇水平，且通过无线数据传输将监测结果实时反馈到用户的手机应用程序中。这意味着个体可以随时掌握自己的压力水平，尤其是在面对突发压力时，及时获取数据可以帮助个人做出健康决策。此外，这项技术的长时间监测功能，还可以为临床医生提供更全面的数据，辅助个性化治疗方案的制定。

图3 优化通道几何形状，以实现皮质醇传感的最大跨导

走向精准医疗与个性化健康管理

随着科技的进步，越来越多的穿戴式设备开始走入人们的日常生活。CWSCCM系统的问世，无疑是穿戴式传感器在生物监测领域的重要突破。这项技术不仅能够帮助个人实时监控自己的压力水平，还能为科学家和医生提供新的工具，用于疾病的早期诊断和治疗。

在未来，随着技术的进一步完善和成本的降低，CWSCCM系统有望成为家庭健康管理的常规工具，帮助人们更好地管理和应对日常压力。尤其是在个性化医疗领域，基于实时数据的精准治疗将为疾病的干预提供全新的思路。

图5 使用完全集成的 CWSCCM 对皮质醇水平进行个性化监测

这项研究不仅展现了计算化学与传感器技术结合的强大潜力，还展示了穿戴式设备在健康管理中的巨大应用前景。通过CWSCCM系统，压力监测和皮质醇检测不再是难以实现的目标，它将推动个性化健康管理走向新的高度，帮助人们更好地理解自己的生理状态，为改善现代生活中的健康问题提供了全新的解决方案。

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