Forscher des Oregon State University College of Engineering haben einen Handsensor entwickelt, der Schweiß auf Cortisol testet und innerhalb von acht Minuten Ergebnisse liefert, ein wichtiger Fortschritt bei der Überwachung eines Hormons, dessen Spiegel ein Marker für viele Krankheiten, einschließlich verschiedener Krebsarten, sind.
Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen. Das Material und der Sensormechanismus in dem neuen Gerät könnten leicht so konstruiert werden, dass sie andere spezifische Hormone erkennen, sagen die Forscher – zum Beispiel Progesteron, ein Schlüsselmarker für die reproduktive Gesundheit von Frauen und Schwangerschaftsergebnisse.
„Wir haben uns von den natürlichen Enzymen inspirieren lassen, die in Blutzuckermessgeräten verwendet werden, die in Apotheken verkauft werden“, sagte Larry Cheng, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informatik. „In Glukosemessgeräten werden spezifische Enzyme auf eine Elektrode aufgebracht, wo sie Glukosemoleküle einfangen und mit ihnen reagieren können, um ein elektrisches Signal für den Nachweis zu erzeugen. Es ist jedoch nicht einfach, natürliche Enzyme für den Cortisolnachweis zu finden, und natürliche Enzyme sind anfällig für Instabilität und haben eine kurze Lebensdauer.“
Enzyme sind von lebenden Organismen hergestellte Substanzen, die als Katalysatoren für biochemische Reaktionen wirken. Um die Herausforderungen zu bewältigen, die natürliche Enzyme mit sich bringen, haben Cheng und Sanjida Yeasmin, ein Doktorand, der die Studie leitete, ein stabiles, robustes künstliches Enzym entwickelt, das in der Lage ist, Cortisol empfindlich und selektiv zu erkennen.
Cortisol ist ein Hormon, das in den Nebennieren produziert wird. Hormone sind die chemischen Botenstoffe des Körpers, und Cortisol gehört neben Androgenen, Östrogenen und Gestagenen zu den Steroidhormonen. Steroidhormone spielen eine Rolle bei mehreren physiologischen Prozessen, einschließlich der sexuellen Entwicklung.
Cortisol hilft unter anderem bei der Bekämpfung von Infektionen, der Aufrechterhaltung des Blutdrucks und der Regulierung des Blutzuckers und des Stoffwechsels und wird auch als „Stresshormon“ bezeichnet, da es ausgeschüttet wird, wenn Menschen unter Druck stehen.
Cortisol ist kurzfristig vorteilhaft für den Umgang mit Stress, aber längere Perioden hoher Cortisolspiegel können schädliche Auswirkungen auf den Körper haben, wie z. B. ein erhöhtes Risiko für Angstzustände, Depressionen und Herzerkrankungen.
„Bei einem gesunden Menschen steigt und fällt der Cortisolspiegel je nach Tageszeit“, sagte Yeasmin. „Sie sind normalerweise morgens höher und nachts niedriger – das bedeutet, wenn Sie Cortisol effektiv überwachen wollen, ist eine schnelle und häufige Messung erforderlich.“
Cortisolspiegel werden am häufigsten durch Blut- oder Urintests in einer Klinik nachgewiesen, „was Laborgeräte und geschultes Personal erfordert und über 30 Minuten dauert, um die Messung abzuschließen“, sagte sie. „Außerdem müssen Patienten in der Regel mehr als zwei Tage warten, um die Ergebnisse zu erhalten.“
Um diese Probleme anzugehen, haben Yeasmin und Cheng einen „Enzym-Mimik-Sensor“ entwickelt, der die teuersten und zeitaufwändigsten Elemente herkömmlicher Cortisol-Tests vermeidet.
„Dieser Sensor ist natürlich enzymfrei, markierungsfrei und frei von Redox-Signalisierungssonden“, sagte Yeasmin. „Es ist ein robuster und integrierter Sensor, der für Point-of-Care-Anwendungen eingesetzt werden kann – beispielsweise am Bett einer Person, außerhalb einer Laborumgebung – und sogar für tragbare Anwendungen. Unser neuer Sensor ist empfindlicher und selektiver als die meisten gemeldeten Sensoren und, daher zuverlässiger für die Stresshormonüberwachung.“
Das künstliche Enzym ist ein spezielles Polymer mit winzigen Zwischenräumen, die so geformt sind, dass sie nur Cortisolmoleküle aufnehmen. Diese Räume sind von Katalysatoren umgeben, die Cortisol reagieren lassen und elektrische Signale erzeugen. Durch die Messung der Signale kann die vorhandene Cortisolmenge bestimmt werden, ein wichtiges diagnostisches Hilfsmittel.
Zu hohe oder zu niedrige Cortisolspiegel können auf eine Nebennierenerkrankung wie die Addison-Krankheit hinweisen, die durch Bauchschmerzen, abnormale Menstruationsperioden, Dehydrierung, Übelkeit und Reizbarkeit gekennzeichnet ist, oder auf das Cushing-Syndrom, das Gewichtszunahme, Stimmungsschwankungen, Muskelschwäche und Diabetes verursachen kann .
„Der Sensor kann Cortisolspiegel im Schweiß innerhalb von Minuten erkennen, selbst wenn sie typischerweise 10.000 Mal weniger konzentriert sind als der Glukosespiegel im Blut“, sagte Cheng. „Das in dieser Technologie verwendete künstliche Enzym eröffnet neue Wege für die Entwicklung zukünftiger tragbarer Sensoren für die Gesundheitsüberwachung.“
Mehr Informationen:
Sanjida Yeasmin et al, Enzyme-Mimics for Sensitive and Selective Steroid Metabolite Detection, ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen (2023). DOI: 10.1021/acsami.2c21980