Человеческий организм реагирует на стресс, от повседневного до экстремального, выработкой гормона кортизола.

На сегодняшний день было непрактично измерять кортизол как способ потенциального выявления таких состояний, как депрессия и посттравматический стресс , при которых уровни гормона повышены. Уровни кортизола традиционно оценивались с помощью образцов крови в профессиональных лабораториях, и хотя эти измерения могут быть полезны для диагностики определенных заболеваний, они не могут фиксировать изменения уровня кортизола с течением времени.

Теперь исследовательская группа Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработала устройство, которое может стать важным шагом вперед: умные часы, которые точно, неинвазивно и в режиме реального времени оценивают уровень кортизола в поте . Описанная в исследовании, опубликованном в журнале Science Advances , технология может дать пользователям возможность читать и реагировать на важный биохимический индикатор стресса.

«Я ожидаю, что возможность внимательно следить за изменениями кортизола во времени будет очень поучительной для людей с психическими расстройствами», — сказала соавтор Энн Эндрюс, профессор психиатрии и биоповеденческих наук Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, член Калифорнийского института наносистем при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. и член Семельского института неврологии и поведения человека. «Возможно, они смогут предвидеть что-то приближающееся или отслеживать изменения в своих личных привычках».

Кортизол хорошо подходит для измерения через пот, по словам соавтора Сэма Эмаминеджада, адъюнкт-профессора электротехники и вычислительной техники в инженерной школе Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и члена CNSI.

«Мы определили, что, отслеживая кортизол в поте, мы сможем отслеживать такие изменения в носимом формате, как мы показали ранее для других малых молекул, таких как метаболиты и фармацевтические препараты», — сказал он. «Из-за своего небольшого молекулярного размера кортизол диффундирует с потом с уровнями концентрации, которые точно отражают его уровни в циркулирующей крови».

Эта технология основана на предыдущих достижениях в области носимой биоэлектроники и биосенсорных транзисторов, сделанных Эмаминежадом, Эндрюсом и их исследовательскими группами.

В новых умных часах полоска специальной тонкой клейкой пленки собирает крошечные объемы пота, измеряемые миллионными долями литра. Прикрепленный датчик обнаруживает кортизол с помощью сконструированных цепочек ДНК, называемых аптамерами, которые сконструированы таким образом, что молекула кортизола подходит к каждому аптамеру, как ключ к замку. Когда кортизол присоединяется, аптамер меняет форму таким образом, что изменяются электрические поля на поверхности транзистора.

Изобретение — наряду с исследованием 2021 года, которое продемонстрировало способность измерять ключевые химические вещества в мозге с помощью зондов — является кульминацией долгих научных поисков Эндрюса. Более 20 лет она возглавляла усилия по мониторингу таких молекул, как серотонин, химический мессенджер в мозгу, связанный с регуляцией настроения, в живых существах, несмотря на уязвимость транзисторов к влажной, соленой биологической среде.

В 1999 году она предложила использовать нуклеиновые кислоты — вместо белков, стандартный механизм — для распознавания конкретных молекул.

«Эта стратегия привела нас к решению фундаментальной физической проблемы: как заставить транзисторы работать для электронных измерений в биологических жидкостях», — сказал Эндрюс, который также является профессором химии и биохимии.

Тем временем Эмаминежад задумал повсеместное наблюдение за личным здоровьем. Его лаборатория разрабатывает носимые устройства с биосенсорами, которые отслеживают уровни определенных молекул, связанных с определенными показателями здоровья.

«Мы вступаем в эру индивидуального мониторинга, когда вместо того, чтобы идти к врачу для проверки, врач практически всегда с нами», — сказал он. «Данные собираются, анализируются и передаются прямо на тело, что дает нам обратную связь в режиме реального времени для улучшения нашего здоровья и благополучия».

Лаборатория Emaminejad ранее продемонстрировала, что одноразовая версия специальной клейкой пленки позволяет умным часам анализировать химические вещества из пота, а также технологию, которая вызывает небольшое количество пота, даже когда пользователь неподвижен. Более ранние исследования показали, что датчики, разработанные группой Эмаминежада, могут быть полезны для диагностики таких заболеваний, как кистозный фиброз, и для персонализации дозировок лекарств.

Одна из проблем при использовании уровня кортизола для диагностики депрессии и других расстройств заключается в том, что уровни гормона могут широко варьироваться от человека к человеку, поэтому врачи не могут многому научиться на одном измерении. Но авторы предвидят, что отслеживание индивидуальных уровней кортизола с течением времени с помощью умных часов может предупредить владельцев и их врачей об изменениях, которые могут быть клинически значимыми для диагностики или мониторинга эффектов лечения.

Среди других авторов исследования Джанет Томияма, адъюнкт-профессор психологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которая на протяжении многих лет сотрудничала с лабораторией Эмаминежада, чтобы тестировать его носимые устройства в клинических условиях.

«Эта работа превратилась в важный документ, объединив разрозненные части Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе», — сказал Пол Вайс, выдающийся профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, профессор химии и биохимии, а также материаловедения и инженерии, член CNSI и соавтор статьи. «Это происходит от того, что мы находимся близко друг к другу, у нас нет проблем с эго и мы рады совместной работе. Мы можем решать проблемы друг друга и использовать эту технологию в новых направлениях».