Un biosensore elettrochimico indossabile per il monitoraggio di metaboliti e nutrienti

Nature Biomedical Engineering volume 6, pagine 1225–1235 (2022)Citare questo articolo

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I biosensori indossabili non invasivi per il monitoraggio continuo dei metaboliti nel sudore possono rilevare alcuni analiti a concentrazioni sufficientemente elevate, tipicamente durante un esercizio vigoroso, in modo da generare una quantità sufficiente di biofluido. Qui riportiamo la progettazione e le prestazioni di un biosensore elettrochimico indossabile per l'analisi continua, nel sudore durante l'esercizio fisico e a riposo, dei livelli in tracce di molteplici metaboliti e nutrienti, inclusi tutti gli aminoacidi essenziali e le vitamine. Il biosensore è costituito da elettrodi di grafene che possono essere rigenerati ripetutamente in situ, funzionalizzati con polimeri impressi a livello molecolare simili ad anticorpi specifici del metabolita e nanoparticelle reporter redox-attive e integrati con moduli per l'induzione del sudore basata sulla ionoforesi, il campionamento microfluidico del sudore, l'elaborazione del segnale e calibrazione e comunicazione wireless. Nei volontari, il biosensore ha consentito il monitoraggio in tempo reale dell'assunzione di aminoacidi e dei loro livelli durante l'esercizio fisico, nonché la valutazione del rischio di sindrome metabolica (correlando i livelli di aminoacidi nel siero e nel sudore). Il monitoraggio dei metaboliti per l’identificazione precoce di condizioni di salute anomale potrebbe facilitare le applicazioni nella nutrizione di precisione.

I nutrienti circolanti sono indicatori essenziali della salute generale e della funzione corporea1. Gli aminoacidi (AA), derivanti dall'assunzione alimentare e dalla sintesi del microbiota intestinale e influenzati dagli stili di vita personali, sono importanti biomarcatori per una serie di condizioni di salute (Fig. 1a)2. Elevate quantità di aminoacidi a catena ramificata (BCAA), tra cui leucina (Leu), isoleucina (Ile) e valina (Val), sono associati all'obesità, alla resistenza all'insulina e al rischio futuro di diabete mellito di tipo 2 (T2DM), malattie cardiovascolari (CVD) e cancro al pancreas3,4,5. Le carenze di AA (ad esempio, arginina e cisteina) potrebbero ostacolare il sistema immunitario riducendo l’attivazione delle cellule immunitarie6. Il triptofano (Trp), la tirosina (Tyr) e la fenilalanina (Phe) sono precursori rispettivamente dei neurotrasmettitori serotonina e catecolamina (dopamina, norepinefrina ed epinefrina) e svolgono un ruolo importante nel funzionamento dei sistemi neurali complessi e nella salute mentale7,8. Numerose impronte metaboliche (tra cui Leu, Phe e vitamina D) sono collegate alla gravità della malattia da coronavirus 2019 (COVID-19)9,10. Le disparità sanitarie in materia di nutrizione sono inoltre ben correlate con le allarmanti disparità razziali ed etniche che sono aggravate dalla vulnerabilità e dalla mortalità del COVID-1911. Inoltre, la disfunzione di organi e tessuti indotta dalla sindrome respiratoria acuta grave coronavirus 2 potrebbe comportare un aumento dell’incidenza di malattie cardiometaboliche12.

a, I nutrienti circolanti come gli AA sono associati a varie condizioni fisiologiche e metaboliche. b, Schema del dispositivo indossabile "NutriTrek" che consente il monitoraggio metabolico attraverso una fusione sinergica di LEG, RAR e anticorpi artificiali. c,d, Schema (c) e assemblaggio di strati (d) del cerotto microfluidico "NutriTrek" per l'induzione del sudore, il campionamento e il biosensing. T, temperatura. e,f, Immagini di un patch sensore flessibile (e) e di un sistema indossabile interfacciato con la pelle (f). Barre di scala, 5 mm (e) e 2 cm (f). g, Schema a blocchi del sistema elettronico di 'NutriTrek'. I moduli delineati con trattini rossi sono inclusi nella versione smartwatch. CPU, unità di elaborazione centrale; POT, potenziometria; In-Amp, amplificatore per strumentazione; MCU, microcontrollore; TIA, amplificatore a transimpedenza; IP, ionoforesi; CE, controelettrodo; RE, elettrodo di riferimento; NOI, elettrodo funzionante. h, Applicazione mobile personalizzata per il monitoraggio metabolico e nutrizionale in tempo reale. i, smartwatch "NutriTrek" con patch sensore usa e getta e display elettroforetico. Barre di scala, 1 cm (in alto) e 5 cm (in basso).