EPFL -ingenjörer, arbetar i samarbete med start Xsensio, har utvecklat ett bärbart system som kontinuerligt kan mäta koncentrationen av kortisol - stresshormonet - i mänsklig svett. Deras enhet kan så småningom hjälpa läkare att bättre förstå och behandla stressrelaterade tillstånd som utbrändhet och fetma.

Vi har alla känt oss stressade någon gång, oavsett om det är i vårt personliga eller professionella liv eller som svar på exceptionella omständigheter som COVID-19-pandemin. Men hittills har det inte funnits något sätt att kvantifiera stressnivåer på ett objektivt sätt.

Det kan snart förändras tack vare en liten bärbar sensor utvecklad av ingenjörer vid EPFL:s Nanoelectronic Devices Laboratory (Nanolab) och Xsensio. Enheten kan placeras direkt på patientens hud och kan kontinuerligt mäta koncentrationen av kortisol, den viktigaste stressmarkören, i patientens svett.

Kortisol:Ett tveeggat svärd

Kortisol är ett steroidhormon som produceras av våra binjurar av kolesterol. Dess utsöndring styrs av adrenokortikotropiskt hormon (ACTH), som produceras av hypofysen. Kortisol utför viktiga funktioner i våra kroppar, såsom att reglera ämnesomsättningen, blodsockernivåer och blodtryck; det påverkar också immunsystemet och kardiovaskulära funktioner.

När vi är i en stressig situation, vare sig livshotande eller vardagligt, kortisol är hormonet som tar över. Det instruerar våra kroppar att rikta den nödvändiga energin till vår hjärna, muskler och hjärta. "Kortisol kan utsöndras vid impuls - du mår bra och plötsligt händer något som sätter dig under stress, och din kropp börjar producera mer av hormonet, säger Adrian Ionescu, chef för Nanolab.

Medan kortisol hjälper våra kroppar att reagera på stressiga situationer, det är faktiskt ett tveeggat svärd. Det utsöndras vanligtvis under hela dagen enligt en dygnsrytm, toppar mellan 06.00 och 08.00 och minskar sedan gradvis in på eftermiddagen och kvällen. "Men hos människor som lider av stressrelaterade sjukdomar, denna dygnsrytm kastas helt bort, "säger Ionescu." Och om kroppen gör för mycket eller inte tillräckligt med kortisol, som allvarligt kan skada en persons hälsa, kan leda till fetma, hjärt -kärlsjukdom, depression eller utbrändhet. "

Fånga hormonet för att mäta det

Blodprov kan användas för att ta ögonblicksbilder av patienternas kortisolnivåer. Dock, detekterbara mängder kortisol kan också hittas i saliv, urin och svett. Ionescus team på Nanolab bestämde sig för att fokusera på svett som detekteringsvätska och utvecklade en bärbar smart lapp med en miniatyriserad sensor.

Plåstret innehåller en transistor och en elektrod av grafen som, på grund av dess unika äganderätt, erbjuder hög känslighet och mycket låga detektionsgränser. Grafen funktionaliseras genom aptamer, som är korta fragment av enkelsträngat DNA eller RNA som kan binda till specifika föreningar. Aptamer i EPFL -lappen bär en negativ laddning; när det kommer i kontakt med kortisol, det fångar upp hormonet omedelbart, får strängarna att vika på sig själva och föra laddningen närmare elektrodytan. Enheten upptäcker sedan laddningen, och kan följaktligen mäta kortisolkoncentrationen i bärarens svett.

Än så länge, inget annat system har utvecklats för att övervaka kortisolkoncentrationer kontinuerligt under dygnscykeln. "Det är den främsta fördelen och innovativa funktionen med vår enhet. Eftersom den kan bäras, forskare kan samla kvantitativa, objektiva uppgifter om vissa stressrelaterade sjukdomar. Och de kan göra det i en icke-invasiv, exakt och omedelbart sätt över hela intervallet av kortisolkoncentrationer i mänsklig svett, säger Ionescu.

Teknik förbättrad sjukvård

Ingenjörerna testade sin enhet på Xsensios egenutvecklade Lab-on-SkinTM-plattform; nästa steg blir att lägga det i händerna på vårdpersonal. Esmeralda Megally, VD för Xsensio, säger:"Det gemensamma FoU -teamet på EPFL och Xsensio nådde en viktig FoU -milstolpe för upptäckten av kortisolhormonet. Vi ser fram emot att testa den här nya sensorn på ett sjukhus och låsa upp ny insikt om hur vår kropp fungerar." Teamet har inrättat ett broprojekt med prof. Nelly Pitteloud, chef för endokrinologi, diabetes och metabolism på Lausanne universitetssjukhus (CHUV), för hennes personal att prova det kontinuerliga kortisolövervakningssystemet på mänskliga patienter. Dessa försök kommer att omfatta både friska individer och personer som lider av Cushings syndrom (när kroppen producerar för mycket kortisol), Addisons sjukdom (när kroppen inte producerar tillräckligt) och stressrelaterad fetma. Ingenjörerna tror att deras sensor kan göra ett stort bidrag till studien av de fysiologiska och patologiska rytmerna av kortisolsekretion.

Så hur är det med psykologiska sjukdomar orsakade av för mycket stress? "Tills vidare, de bedöms endast baserat på patienternas uppfattningar och sinnestillstånd, som ofta är subjektiva, "säger Ionescu." Så att ha en pålitlig, bärbart system kan hjälpa läkare att objektivt kvantifiera om en patient lider av depression eller utbrändhet, till exempel, och om deras behandling är effektiv. Vad mer, läkare skulle ha den informationen i realtid. Det skulle markera ett stort steg framåt i förståelsen av dessa sjukdomar. "Och vem vet, kanske en dag kommer denna teknik att införlivas med smarta armband. "Nästa fas kommer att fokusera på produktutveckling för att göra denna spännande uppfinning till en viktig del av vår Lab-on-Skin sensing-plattform, och ta med stressövervakning till nästa generations bärbara apparater, säger Megally.