Bærbar aptamer nanobiosensor overvåger trådløst østrogen i sved
Kønshormonet almindeligvis kendt som østrogen spiller en vigtig rolle i flere aspekter af kvinders sundhed og fertilitet. Høje niveauer af østrogen i kroppen er forbundet med bryst- og æggestokkræft, mens lave niveauer af østradiol kan resultere i osteoporose, hjertesygdomme og endda depression. (Østrogen er en klasse af hormoner, der inkluderer østradiol som den mest potente form). Østradiol er også nødvendigt for udviklingen af sekundære seksuelle egenskaber hos kvinder og regulerer reproduktionscyklussen.
På grund af dets mange funktioner overvåges hormonet østradiol ofte specifikt af læger som en del af kvinders sundhedspleje, men dette kræver normalt, at patienten besøger en klinik for at få taget blod til analyse i et laboratorium. Selv testsæt derhjemme kræver, at prøver af blod eller urin sendes til et laboratorium.
Men nu har Caltech-forskere udviklet en bærbar sensor, der overvåger østradiol ved at registrere dets tilstedeværelse i sved. Forskerne siger, at sensoren en dag kan gøre det lettere for kvinder at overvåge deres østradiolniveauer derhjemme og i realtid.
Papiret, der beskriver forskningen, "En bærbar aptamer nanobiosensor til ikke-invasiv kvindelig hormonovervågning," dukker op i 28. september-udgaven af Nature Nanotechnology .
Forskningen blev udført i laboratoriet hos Wei Gao, assisterende professor i medicinsk teknik, efterforsker ved Heritage Medical Research Institute, og Ronald og JoAnne Willens Scholar. I de senere år har Gao udviklet svedsensorer, der registrerer kortisol, et hormon forbundet med stress; tilstedeværelsen af COVID-19-virussen; en biomarkør, der indikerer betændelse i kroppen; og en hel masse andre næringsstoffer og biologiske forbindelser.
Gao siger, at udviklingen af østradiolsensoren til dels blev ansporet af anmodninger fra folk, der var utilfredse med de muligheder, de havde for at overvåge deres østrogenniveauer, og som havde set hans tidligere arbejde.
"Folk spørger mig ofte, om jeg kunne lave den samme slags svedsensor til kvindelige hormoner, fordi vi ved, hvor meget disse hormoner påvirker kvinders helbred," siger Gao.
En population af kvinder, der ville have gavn af østradiolmonitorering, er dem, der forsøger at blive gravide, enten naturligt eller gennem in vitro-fertilisering. Succesen med begge metoder er afhængig af at få timingen rigtig med hensyn til ægløsning, men ikke alle kvinder har en reproduktionscyklus, der følger en regelmæssig tidsplan. Nogle kvinder har været i stand til at spore deres ægløsning ved at overvåge deres kropstemperatur, men Gao siger, at metoden har begrænset anvendelighed, fordi den ikke er særlig nøjagtig, og kropstemperaturen stiger ikke, før ægløsningen er begyndt.
"Men østrogen stiger før ægløsning," siger han. "Med denne svedsensor ville vi være i stand til at give folk besked på forhånd."
Andre personer, der kunne have gavn af en bærbar østrogensensor, er dem, der gennemgår hormonsubstitutionsterapi (HRT), fordi deres kroppe ikke producerer tilstrækkeligt østradiol. Hos disse patienter skal østradiolniveauer overvåges nøje for at sikre, at de tager den korrekte dosis.
Den sensor, Gaos team udviklede, ligner på mange måder de forskellige sensorer, som gruppen tidligere har udviklet. Den er bygget på en fleksibel plastmembran; har små ætsede passager (mikrofluidik) til at kanalisere små mængder sved ind i sensoren; og inkjet-printede guld-nanopartikler og titaniumcarbidfilm (kendt som MXenes), der giver sensoren et stort overfladeareal og elektrisk ledningsevne for at øge dens følsomhed.
Den primære udfordring, og hvad der dikterede ændringer i sensorens design denne gang, er, at østradiol, som allerede er til stede i ret lave niveauer i blodet, er omkring 50 gange mindre koncentreret i sved.
"Da det er så lav en koncentration, er det meget udfordrende at registrere østradiol automatisk i sved," siger Gao.
Til den nye sensor brugte forskerholdet kort enkeltstrenget DNA kendt som aptamerer. Aptamerer fungerer som kunstige antistoffer og er designet til at binde specifikt til et målmolekyle. Aptamererne er knyttet til en overflade modificeret med guld-nanopartikler og binder til enkeltstrengede DNA-molekyler mærket med et molekyle, der direkte kan donere eller acceptere elektroner under visse betingelser.
Når en aptamer binder sig til et østradiolmolekyle, frigiver den redoxmolekylet. Dette molekyle genfanges af en nærliggende elektrode lavet af MXene-coatede guldnanopartikler, der genererer et elektrisk signal, der korrelerer med østradiolniveauet. Denne hardware transmitterer derefter trådløst de data, den indsamler, til en app, der kører på en smartphone, hvilket giver en enkel grænseflade for brugeren.
En anden nyskabelse i denne enhed var designet af mikrofluidikken, der opsamler sved og kanaliserer den ind i sensoren. Små automatiske ventiler indbygget i mikrofluidikken tillader kun en lille, fast mængde sved ind i sensoren og forhindrer derefter yderligere sved i at trænge ind. Designet muliggør stabil østradiolanalyse uden yderligere sved, der forstyrrer processen. For at tage højde for forskelle i svedsammensætning indsamler enheden desuden oplysninger om sved-pH, svedsaltniveauer og hudtemperatur og bruger dem til realtidskalibrering.
Test i laboratoriet har vist, at sensoren pålideligt og nøjagtigt kan spore de skiftende niveauer af østradiol i sved i løbet af reproduktionscyklussen, fra det laveste niveau under menstruation til dets højeste niveau (10 gange højere) under ægløsning.
Gao siger, at han planlægger at fortsætte med at arbejde på denne teknologi for at give den mulighed for at overvåge andre kvindelige hormoner, såsom luteiniserende hormon eller progesteron, som begge er involveret i ægløsning. Han håber også at miniaturisere alle disse sensorer, så de alle kan passe ind i en lille bærbar enhed, såsom en upåfaldende ring, der kan bæres på fingeren.
Medforfattere til undersøgelsen omfatter postdoktorale forskningsmedarbejdere i medicinsk teknik Cui Ye, Minqiang Wang og Juliane R. Sempionatto; medicinske ingeniørstuderende Jihong Min, Heather Lukas, Jiahong Li og Changhao Xu; og Roland Yingjie Tay, tidligere fra Caltech og nu med Nanyang Technological University of Singapore.
Flere oplysninger: Cui Ye et al, En bærbar aptamer nanobiosensor til ikke-invasiv kvindelig hormonovervågning, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01513-0
Journaloplysninger: Naturenanoteknologi
Leveret af California Institute of Technology
Varme artikler
-
Forskere i Hong Kong baner nye veje inden for nanoteknologiOrganisk tyndfilmstransistorhukommelsesenhed. Copyright:Hong Kong Polytechnic University En banebrydende undersøgelse af forskere fra The Hong Kong Polytechnic University (PolyU) har vist, at sand -
Forskere går videre med elektronmikroskopi for at bygge kvantematerialer atom for atomMed et STEM -mikroskop, ORNLs Ondrej Dyck bragte to, tre og fire siliciumatomer sammen for at bygge klynger og få dem til at rotere inden for et lag af grafen, et todimensionalt lag af carbonatomer, d -
Bakterielydspor afsløret af grafenmembranKunstnerens indtryk af en grafentromme, der detekterer nanobevægelse af en enkelt bakterie. Kredit:Irek Roslon, TU Delft Har du nogensinde spekuleret på, om bakterier laver karakteristiske lyde? Hv -
Plasmonisk enhed omdanner lys til elektricitetOverfladeplasmoner på den øverste elektrode i MIM -enheden kan øge strømmen fra topelektroden, så den er større end strømmen fra bundelektroden, skaber en positiv nettostrøm. Billedkredit:Wang og Melo
- Katalytisk immunterapi til cancer:Nanopartikler fungerer som kunstige enzymer
- Tidsbegrænset spisning reducerer kardiovaskulære sundhedsrisici forbundet med skifteholdsarbejde f…
- Markedskonkurrence sætter tonen for lavere omkostninger ved britiske mobiltelefonkontrakter, viser …
- Forskere bruger kunstig intelligens til at definere prioriterede indsatsområder for at bekæmpe sko…
- Ny metode til registrering af ondsindet e-mail overgår 60 antivirusmotorer
- James Webb-teleskop ramt af mikrometeoroid:NASA