Tragbarer Aptamer-Nanobiosensor überwacht drahtlos Östrogen im Schweiß

Das allgemein als Östrogen bekannte Sexualhormon spielt in mehreren Aspekten der Gesundheit und Fruchtbarkeit von Frauen eine wichtige Rolle. Ein hoher Östrogenspiegel im Körper wird mit Brust- und Eierstockkrebs in Verbindung gebracht, während ein niedriger Östradiolspiegel zu Osteoporose, Herzerkrankungen und sogar Depressionen führen kann. (Östrogen ist eine Hormonklasse, zu der Östradiol als stärkste Form gehört). Östradiol ist auch für die Entwicklung sekundärer Geschlechtsmerkmale bei Frauen notwendig und reguliert den Fortpflanzungszyklus.

Aufgrund seiner vielfältigen Funktionen wird das Hormon Östradiol von Ärzten im Rahmen der Gesundheitsfürsorge für Frauen häufig speziell überwacht. Dazu muss die Patientin jedoch in der Regel eine Klinik aufsuchen, um sich Blut für die Analyse in einem Labor entnehmen zu lassen. Auch für Testkits für zu Hause ist es erforderlich, dass Blut- oder Urinproben per Post an ein Labor geschickt werden.

Aber jetzt haben Caltech-Forscher einen tragbaren Sensor entwickelt, der Östradiol überwacht, indem er dessen Vorhandensein im Schweiß erkennt. Die Forscher sagen, dass der Sensor es Frauen eines Tages erleichtern könnte, ihren Östradiolspiegel zu Hause und in Echtzeit zu überwachen.

Das Papier In der Ausgabe vom 28. September erscheint eine Beschreibung der Forschung: „Ein tragbarer Aptamer-Nanobiosensor für die nicht-invasive Überwachung weiblicher Hormone“. Natur-Nanotechnologie.

Die Forschung wurde im Labor von Wei Gao, Assistenzprofessor für Medizintechnik, Forscher am Heritage Medical Research Institute und Ronald und JoAnne Willens Scholar, durchgeführt. In den letzten Jahren hat Gao Schweißsensoren entwickelt, die Cortisol erkennen, ein mit Stress verbundenes Hormon; das Vorhandensein des COVID-19-Virus; ein Biomarker, der auf eine Entzündung im Körper hinweist; und eine ganze Reihe anderer Nährstoffe und biologischer Verbindungen.

Gao sagt, dass die Entwicklung des Östradiol-Sensors teilweise durch Anfragen von Menschen vorangetrieben wurde, die mit den Möglichkeiten zur Überwachung ihres Östrogenspiegels unzufrieden waren und seine früheren Arbeiten gesehen hatten.

„Die Leute fragen mich oft, ob ich den gleichen Schweißsensor für weibliche Hormone herstellen könnte, weil wir wissen, wie stark diese Hormone die Gesundheit von Frauen beeinflussen“, sagt Gao.

Eine Gruppe von Frauen, die von einer Östradiolüberwachung profitieren würden, sind diejenigen, die versuchen, entweder auf natürlichem Weg oder durch In-vitro-Fertilisation ein Kind zu bekommen. Der Erfolg beider Methoden hängt vom richtigen Zeitpunkt des Eisprungs ab, aber nicht alle Frauen haben einen Fortpflanzungszyklus, der einem regelmäßigen Zeitplan folgt. Einige Frauen konnten ihren Eisprung durch die Überwachung ihrer Körpertemperatur verfolgen, aber Gao sagt, dass diese Methode nur begrenzt nützlich sei, weil sie nicht sehr genau sei und die Körpertemperatur erst dann ansteige, wenn der Eisprung begonnen habe.

„Aber der Östrogenspiegel steigt vor dem Eisprung an“, sagt er. „Mit diesem Schweißsensor könnten wir die Menschen frühzeitig darauf aufmerksam machen.“

Andere Personen, die von einem tragbaren Östrogensensor profitieren könnten, sind Personen, die sich einer Hormonersatztherapie (HRT) unterziehen, weil ihr Körper nicht ausreichend Östradiol produziert. Bei diesen Patienten muss der Östradiolspiegel sorgfältig überwacht werden, um sicherzustellen, dass sie die richtige Dosierung einnehmen.

Der von Gaos Team entwickelte Sensor ähnelt in vielerlei Hinsicht den verschiedenen Sensoren, die die Gruppe in der Vergangenheit entwickelt hat. Es ist auf einer flexiblen Kunststoffmembran aufgebaut; verfügt über winzige geätzte Kanäle (Mikrofluidik), um kleine Mengen Schweiß in den Sensor zu leiten; und mit Tintenstrahldruckern bedruckte Goldnanopartikel und Titankarbidfilme (bekannt als MXenes), die dem Sensor eine große Oberfläche und elektrische Leitfähigkeit verleihen, um seine Empfindlichkeit zu erhöhen.

Die größte Herausforderung, die dieses Mal zu Änderungen am Design des Sensors geführt hat, besteht darin, dass Östradiol, das bereits in relativ geringen Mengen im Blut vorhanden ist, im Schweiß etwa 50-mal weniger konzentriert ist.

„Da es sich um eine so geringe Konzentration handelt, ist es sehr schwierig, Östradiol automatisch im Schweiß nachzuweisen“, sagt Gao.

Für den neuen Sensor nutzte das Forschungsteam kurze einzelsträngige DNA, sogenannte Aptamere. Aptamere fungieren als künstliche Antikörper und sollen spezifisch an ein Zielmolekül binden. Die Aptamere werden an eine mit Goldnanopartikeln modifizierte Oberfläche gebunden und binden an einzelsträngige DNA-Moleküle, die mit einem Molekül markiert sind, das unter bestimmten Bedingungen direkt Elektronen abgeben oder aufnehmen kann.

Wenn ein Aptamer an ein Östradiolmolekül bindet, setzt es das Redoxmolekül frei. Dieses Molekül wird von einer nahegelegenen Elektrode aus MXene-beschichteten Goldnanopartikeln wieder eingefangen und erzeugt ein elektrisches Signal, das mit dem Östradiolspiegel korreliert. Diese Hardware überträgt die erfassten Daten dann drahtlos an eine App, die auf einem Smartphone läuft und dem Benutzer eine einfache Schnittstelle bietet.

Eine weitere Innovation dieses Geräts war das Design der Mikrofluidik, die Schweiß sammelt und in den Sensor leitet. Winzige automatische Ventile, die in die Mikrofluidik integriert sind, lassen nur eine kleine, festgelegte Menge Schweiß in den Sensor und verhindern dann, dass zusätzlicher Schweiß eindringt. Das Design ermöglicht eine stabile Östradiolanalyse, ohne dass zusätzlicher Schweiß den Prozess stört. Um Unterschiede in der Schweißzusammensetzung zu berücksichtigen, sammelt das Gerät außerdem Informationen über den Schweiß-pH-Wert, den Schweißsalzgehalt und die Hauttemperatur und verwendet diese für die Echtzeitkalibrierung.

Tests im Labor haben gezeigt, dass der Sensor die sich ändernden Östradiolwerte im Schweiß im Verlauf des Fortpflanzungszyklus zuverlässig und genau verfolgen kann, vom niedrigsten Wert während der Menstruation bis zum höchsten Wert (zehnmal höher) während des Eisprungs.

Gao sagt, er plane, weiter an dieser Technologie zu arbeiten, um es zu ermöglichen, andere weibliche Hormone wie das luteinisierende Hormon oder Progesteron zu überwachen, die beide am Eisprung beteiligt sind. Er hofft auch, alle diese Sensoren zu miniaturisieren, sodass sie alle in ein kleines tragbares Gerät passen, beispielsweise in einen unauffälligen Ring, der am Finger getragen werden kann.

Zu den Co-Autoren der Studie gehören die Postdoktoranden der Medizintechnik Cui Ye, Minqiang Wang und Juliane R. Sempionatto; Medizintechnik-Absolventen Jihong Min, Heather Lukas, Jiahong Li und Changhao Xu; und Roland Yingjie Tay, ehemals Caltech und jetzt an der Nanyang Technological University of Singapore.