Könshormonet allmänt känt som östrogen spelar en viktig roll i flera aspekter av kvinnors hälsa och fertilitet. Höga nivåer av östrogen i kroppen är förknippade med bröst- och äggstockscancer, medan låga nivåer av östradiol kan resultera i osteoporos, hjärtsjukdomar och till och med depression. (Östrogen är en klass av hormoner som inkluderar östradiol som den mest potenta formen). Östradiol är också nödvändigt för utvecklingen av sekundära sexuella egenskaper hos kvinnor och reglerar reproduktionscykeln.
På grund av dess många funktioner övervakas hormonet östradiol ofta specifikt av läkare som en del av kvinnosjukvården, men detta kräver vanligtvis att patienten besöker en klinik för att få blodtappad för analys i ett labb. Även testsatser hemma kräver att prover av blod eller urin skickas till ett labb.
Men nu har Caltech-forskare utvecklat en bärbar sensor som övervakar östradiol genom att upptäcka dess närvaro i svett. Forskarna säger att sensorn en dag kan göra det lättare för kvinnor att övervaka sina östradiolnivåer hemma och i realtid.
Uppsatsen som beskriver forskningen, "En bärbar aptamer nanobiosensor för icke-invasiv kvinnlig hormonövervakning", visas i numret av Nature Nanotechnology den 28 september. .
Forskningen utfördes i labbet av Wei Gao, biträdande professor i medicinsk teknik, utredare vid Heritage Medical Research Institute, och Ronald och JoAnne Willens Scholar. På senare år har Gao utvecklat svettsensorer som upptäcker kortisol, ett hormon som förknippas med stress; förekomsten av covid-19-viruset; en biomarkör som indikerar inflammation i kroppen; och en hel mängd andra näringsämnen och biologiska föreningar.
Gao säger att utvecklingen av östradiolsensorn delvis stimulerades av förfrågningar från människor som var missnöjda med de alternativ de hade för att övervaka sina östrogennivåer och som hade sett hans tidigare arbete.
"Folk frågar mig ofta om jag skulle kunna göra samma typ av svettsensor för kvinnliga hormoner, eftersom vi vet hur mycket dessa hormoner påverkar kvinnors hälsa", säger Gao.
En population av kvinnor som skulle ha nytta av östradiolövervakning är de som försöker bli gravida, antingen naturligt eller genom provrörsbefruktning. Framgången för båda metoderna är beroende av att få rätt timing med avseende på ägglossning, men inte alla kvinnor har en reproduktionscykel som följer ett regelbundet schema. Vissa kvinnor har kunnat spåra sin ägglossning genom att övervaka sin kroppstemperatur, men Gao säger att metoden har begränsad användbarhet eftersom den inte är särskilt exakt och kroppstemperaturen ökar inte förrän ägglossningen har börjat.
"Men östrogenet ökar före ägglossningen", säger han. "Med den här svettsensorn skulle vi kunna ge folk besked i förväg."
Andra individer som skulle kunna dra nytta av en bärbar östrogensensor är de som genomgår hormonersättningsterapi (HRT) eftersom deras kroppar inte producerar tillräckligt med östradiol. Hos dessa patienter måste östradiolnivåerna övervakas noggrant för att säkerställa att de tar rätt dos.
Sensorn som Gaos team utvecklade liknar på många sätt de olika sensorer som gruppen utvecklat tidigare. Den är byggd på ett flexibelt plastmembran; har små etsade passager (mikrofluidik) för att kanalisera små mängder svett in i sensorn; och bläckstråletryckta guldnanopartiklar och titankarbidfilmer (kända som MXenes) som ger sensorn en stor yta och elektrisk ledningsförmåga för att öka dess känslighet.
Den primära utmaningen, och det som dikterade förändringar i sensorns design den här gången, är att östradiol, som redan finns i ganska låga nivåer i blodet, är ungefär 50 gånger mindre koncentrerad i svett.
"Eftersom det är en så låg koncentration är det mycket utmanande att upptäcka östradiol automatiskt i svett", säger Gao.
För den nya sensorn använde forskargruppen kort enkelsträngad DNA som kallas aptamerer. Aptamerer fungerar som artificiella antikroppar och är utformade för att binda specifikt till en målmolekyl. Aptamererna är fästa på en yta modifierad med guldnanopartiklar och binder till enkelsträngade DNA-molekyler taggade med en molekyl som direkt kan donera eller ta emot elektroner under vissa förhållanden.
När en aptamer binder till en östradiolmolekyl frisätter den redoxmolekylen. Den molekylen återfångas av en närliggande elektrod gjord av MXene-belagda guldnanopartiklar, vilket genererar en elektrisk signal som korrelerar med östradiolnivån. Den hårdvaran överför sedan trådlöst data den samlar in till en app som körs på en smart telefon, vilket ger ett enkelt gränssnitt för användaren.
En annan innovation i den här enheten var designen av mikrofluidikerna som samlar upp svett och kanaliserar den in i sensorn. Små automatiska ventiler inbyggda i mikrofluidiken tillåter endast en liten, fast mängd svett in i sensorn och förhindrar sedan att ytterligare svett kommer in. Designen möjliggör stabil östradiolanalys utan att ytterligare svett stör processen. Dessutom, för att ta hänsyn till skillnader i svettsammansättning, samlar enheten också in information om svett-pH, svettsaltnivåer och hudtemperatur och använder dem för realtidskalibrering.
Tester i laboratoriet har visat att sensorn på ett tillförlitligt och exakt sätt kan spåra de förändrade nivåerna av östradiol i svett under loppet av reproduktionscykeln, från den lägsta nivån under menstruationen till den högsta nivån (10 gånger högre) under ägglossningen.
Gao säger att han planerar att fortsätta arbeta med denna teknik för att göra det möjligt för den att övervaka andra kvinnliga hormoner, som luteiniserande hormon eller progesteron, som båda är involverade i ägglossningen. Han hoppas också kunna miniatyrisera alla dessa sensorer så att de alla kan passa inuti en liten bärbar enhet som en oansenlig ring som kan bäras på fingret.
Medförfattare till studien inkluderar forskarassistenter inom medicinsk teknik Cui Ye, Minqiang Wang och Juliane R. Sempionatto; doktorander i medicinteknik Jihong Min, Heather Lukas, Jiahong Li och Changhao Xu; och Roland Yingjie Tay, tidigare från Caltech och nu vid Nanyang Technological University of Singapore.
Mer information: Cui Ye et al, En bärbar aptamer nanobiosensor för icke-invasiv kvinnlig hormonövervakning, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01513-0
Journalinformation: Nanoteknik
Tillhandahålls av California Institute of Technology
