Носимый сенсор измерит уровень стресса по каплям пота

Ученые разработали носимый сенсор, который может быстро и в реальном времени определять в пробах выделяемого пота концентрацию кортизола — основного гормона стресса человека. Предложенное устройство состоит из полимерной мембраны, реагирующей только на молекулы кортизола, и электрохимического транзистора. Такой сенсор закрепляется на коже человека и позволяет проводить непрерывный неинвазивный анализ с точностью, не уступающей современным лабораторным устройствам, пишут ученые в Science Advances.

При стрессе, травмах и в состоянии шока кора надпочечников животных выделяет глюкокортикоидные гормоны, которые позволяют адаптироваться организму к кровопотере и стрессовому состоянию. Основной глюкокортикоидный гормон у человека — кортизол. Увеличение его концентрации в крови повышает артериальное давление, увеличивает уровень глюкозы в крови, интенсифицирует кроветворные процессы в костном мозге и регулирует иммунные процессы в организме. Поскольку выделяется кортизол в ответ на ту или иную стрессовую ситуацию, то измерения его уровня часто используют именно в качестве показателя стресса. Однако измерение концентрации гормона в лабораторных условиях занимает иногда до нескольких дней, а точных методов для анализа динамики его уровня (который может неоднократно меняться в течение суток) сейчас нет.

Чтобы концентрацию кортизола можно было отслеживать в реальном времени, группа исследователей из США и Франции под руководством Альберто Саллео (Alberto Salleo) из Стэнфордского университета предложила определять его уровень не в крови, а в каплях пота. Ученые нашли способ проводить измерения не только быстро, но и используя при этом очень компактное устройство, которое можно закрепить на коже и носить в течение дня. 

Поскольку молекула кортизола не заряжена, то для количественного определения гормона ученые предложили использовать специально синтезированную для этой цели мембрану с порами, полностью соответствующими молекулам кортизола по форме. Сделать такую мембрану ученым удалось с помощью метода темплатной полимеризации: вещество сначала сшивается вокруг пробной молекулы кортизола, принимая правильную геометрию, после чего эта молекула удаляется, а в полимере остается отверстие нужной формы. Во время анализа молекулы гормона уже из капель пота встраивается в эти отверстия, тем самым ограничивая транспорт через мембрану заряженных ионов. Поэтому, если присоединить эту мембрану к электрохимическому транзистору, то зависимость тока от приложенного напряжения будет в результате отражать концентрацию гормона.

Такую сенсорную систему из мембраны и микрометровой электрохимической ячейки на эластомерной подложке ученые встроили в небольшой пластиковый чип, так чтобы мембрана с одной стороны соединялась с внешней средой набором микрокапилляров. Затем этот чип помещали на поверхность кожи, и при попадании на него капель пота жидкость по капиллярам доставлялась к сенсорной части, что приводило к изменению тока через ячейку, которое и соответствовало уровня гормона.

Одним из преимуществ предложенного подхода ученые называют возможность непрерывного неинвазивного анализа. Именно поэтому в качестве исследуемой жидкости ученые выбрали пот, а не кровь. Уровень кортизола в нем тоже отражает состояние организма, но при этом собирать пробы можно с поверхности кожи без использования шприца. По словам авторов работы, определять таким образом концентрацию гормона можно в диапазоне от 1 микромоля до 5 миллимоль на литр, что соответствует концентрациям кортизола в анализируемых пробах пота.

Работоспособность устройства ученые проверили сначала на микрофлюидной модели кожи, а затем и в реальных условиях, закрепив пробное устройство на коже человека. Точность измерений оказалась на уровне современных методов лабораторного анализа. В ближайшем будущем ученые планируют создать прототип устройства, которое уже можно применять и повседневной жизни.

По словам ученых, такое устройство может использоваться для ранней диагностики заболеваний, а также для анализа влияния спортивной активности на состояние организма. Также с помощью этого подхода можно следить за эмоциональным состоянием маленьких детей, которые не могут сами выразить его словами.

Измерения концентраций кортизола часто используют для определения уровня стресса в рамках научных исследований. Например, именно с помощью такого анализа ученым удалось доказать пользу различных мыслительных практик, направленных на понимание собственных эмоций и принятие того, что происходит вокруг. А измерение уровня кортизола у диких лемуров показало связь между высоким уровнем стресса и уменьшением их выживаемости.

Александр Дубов