代謝物と栄養素をモニタリングするためのウェアラブル電気化学バイオセンサー

Nature Biomedical Engineering volume 6、pages 1225–1235 (2022)この記事を引用

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メトリクスの詳細

汗中の代謝産物を継続的にモニタリングするためのウェアラブル非侵襲性バイオセンサーは、通常、十分な量の生体液を生成するために激しい運動中に、十分に高い濃度で少数の分析物を検出できます。今回我々は、運動中や安静時の汗中の微量レベルの複数の代謝物や栄養素（すべての必須アミノ酸やビタミンを含む）を連続分析するためのウェアラブル電気化学バイオセンサーの設計と性能を報告する。バイオセンサーは、その場で繰り返し再生可能なグラフェン電極で構成され、代謝産物特異的な抗体のような分子インプリントポリマーと酸化還元活性レポーターナノ粒子で機能化され、イオントフォレシスベースの発汗誘発、マイクロ流体汗サンプリング、信号処理および信号処理のためのモジュールと統合されています。キャリブレーションとワイヤレス通信。ボランティアでは、バイオセンサーにより、運動中のアミノ酸の摂取量とそのレベルのリアルタイムモニタリング、およびメタボリックシンドロームのリスクの評価（血清と汗中のアミノ酸レベルを相関させることによる）が可能になりました。健康状態の異常を早期に特定するための代謝産物のモニタリングは、精密栄養学への応用を促進する可能性があります。

循環する栄養素は、全体的な健康と身体機能の重要な指標です1。アミノ酸（AA）は、食事摂取と腸内微生物叢の合成に由来し、個人のライフスタイルの影響を受けるため、多くの健康状態の重要なバイオマーカーです（図 1a）2。ロイシン (Leu)、イソロイシン (Ile)、バリン (Val) などの分岐鎖アミノ酸 (BCAA) の増加は、肥満、インスリン抵抗性、2 型糖尿病 (T2DM)、心血管疾患 (CVD) の将来のリスクと関連しています。膵臓がん3、4、5。 AA（アルギニンやシステインなど）の欠乏は、免疫細胞の活性化を低下させ、免疫システムを妨げる可能性があります6。トリプトファン (Trp)、チロシン (Tyr)、フェニルアラニン (Phe) は、それぞれセロトニンとカテコールアミン神経伝達物質 (ドーパミン、ノルエピネフリン、エピネフリン) の前駆体であり、複雑な神経系の機能と精神的健康に重要な役割を果たしています 7,8。多くの代謝フィンガープリント（Leu、Phe、ビタミン D を含む）は、2019 年コロナウイルス感染症（COVID-19）の重症度に関連しています9,10。栄養における健康格差は、新型コロナウイルス感染症の脆弱性と死亡率によって悪化する憂慮すべき人種的および民族的格差ともよく相関しています11。さらに、重症急性呼吸器症候群コロナウイルス 2 によって引き起こされる臓器および組織の機能不全は、心臓代謝性疾患の発生率の増加を引き起こす可能性があります 12。

a、AA などの循環栄養素は、さまざまな生理学的および代謝状態に関連しています。 b. LEG、RAR、人工抗体の相乗的融合により代謝モニタリングを可能にするウェアラブル「NutriTrek」の概略図。 c、d、発汗誘発、サンプリング、およびバイオセンシング用のマイクロ流体「NutriTrek」パッチの概略図（c）および層アセンブリ（d）。 T、温度。 e、f、柔軟なセンサーパッチ (e) とスキンインターフェイスのウェアラブルシステム (f) の画像。スケールバー、5 mm (e) および 2 cm (f)。 g、「NutriTrek」の電子システムのブロック図。赤い破線で囲まれたモジュールはスマートウォッチバージョンに含まれています。 CPU、中央処理装置。 POT、電位差測定; 計装アンプ、計装アンプ。 MCU、マイクロコントローラー; TIA、トランスインピーダンスアンプ。 IP、イオン導入; CE、対電極。 RE、参照電極。私たち、作用電極。 h、リアルタイムの代謝および栄養追跡のためのカスタムモバイルアプリケーション。 i、使い捨てセンサーパッチと電気泳動ディスプレイを備えた「NutriTrek」スマートウォッチ。スケールバー、1 cm (上) と 5 cm (下)。

2,500 °C), chemical bonds in the PI network are broken and thermal re-organization of the carbon atoms occurs, resulting in sheets of graphene structures. The optimized parameters for the graphene electrodes and electronic connections were power 8%, speed 15%, and points per inch (PPI) 1,000 in raster mode with three-time scan. For the active sensing area of the temperature sensor, the optimized parameters were power 3%, speed 18%, and PPI 1,000 in vector mode with one-time scan. To prepare the reference electrode, Ag was first modified on the corresponding graphene electrode by multi-current electrodeposition with electrochemical workstation (CHI 832D) at −0.01 mA for 150 s, −0.02 mA for 50 s, −0.05 mA for 50 s, −0.08 mA for 50 s and −0.1 mA for 350 s using a plating solution containing 0.25 M silver nitrate, 0.75 M sodium thiosulfate and 0.5 M sodium bisulfite. To obtain the Ag/AgCl electrode, 0.1 M FeCl3 solution was further dropped on the Ag surface for 30 s, and then 3 µl polyvinyl butyral (PVB) reference cocktail prepared by dissolving 79.1 mg of PVB and 50 mg of NaCl in 1 ml of methanol was dropped on the Ag/AgCl electrode and dried overnight. The Na+-selective electrode was prepared as follows: 0.6 µl of Na+-selective membrane cocktail prepared by dissolving 1 mg of Na ionophore X, 0.55 mg sodium tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]borate, 33 mg polyvinyl chloride and 65.45 mg bis(2-ethylhexyl) sebacate into 660 µl of tetrahydrofuran was drop-casted onto the graphene electrode and dried overnight. To obtain the desired stable Na+-sensing performance for long-term continuous measurements, the obtained Na+ sensor was conditioned overnight in 100 mM NaCl./p>