Nature | 基于可穿戴设备的体液分析

关注“医工学人”澎湃号机公众号，第一时间获取医工交叉领域新闻动态~

可穿戴设备能够实现对健康与疾病的连续、分散和非侵入性/微创监测。尽管大多数可穿戴传感器最初仅限于生物物理测量，但现在出现的下一代可穿戴设备，它们能够对各种体液中的小分子和大分子进行生化监测，例如汗液、呼吸、唾液、眼泪和间质液。12月4日，西北大学Rogers及苏黎世联邦理工Goldhahn等人在Nature发表观点文章，回顾了用于体液分析的最先进的可穿戴设备及其在临床应用中的转化，并提供了对其临床用途的见解。

最新一代的商用可穿戴设备，如智能手表，可以轻松跟踪移动性和生命体征。但是，尽管使用光电容积脉搏波描记法进行心律分析已经彻底改变了心房颤动筛，但生物物理设备无法执行精确的生物分子监测。如今，标准护理生物分子监测主要通过血液样本进行，过程费力、侵入性、依赖于实验室，并且通常只允许进行现场分析。然而，新兴的可穿戴设备将能够在分子水平上监测健康状况通过各种体液，例如汗液、间质液 （ISF） 和呼吸，具有高时间分辨率和实时性。

可穿戴设备能够帮助解决传统临床实验室分析的主要局限性，特别是在以下领域：（1） 筛查和早期诊断；（2） 测量纵向时间序列数据以评估治疗效果和疾病进程；（3） 克服采样挑战，例如在儿科，以及 （4） 允许在资源稀缺地区简化复杂诊断的访问。尽管如此，这些可穿戴设备的成功广泛临床实施仍面临几个挑战，包括： （1） 确保传感器的准确性和可靠性以及持久的电源；（2） 开发满足临床需求的软件和算法；（3） 建立监管框架；（4） 理解衍生数据的临床意义；以及 （5） 阐述考虑患者的临床用例， 公共卫生和资源。从流程一开始就让所有利益相关者参与进来，这将是从实验室到临床的成功转化（包括商业化）的主要支柱之一。

用于体液分析的可穿戴设备

可实时捕获丰富动态分子信息的可穿戴传感器为在广泛的诊断应用中监测人体带来了令人兴奋的机会。此类设备依赖于将固定化受体对目标生物标志物的选择性识别（相互作用）转化为与生物标志物浓度成正比的可测量电信号或光学信号。已经开发了各种可穿戴电化学和光学传感器，用于实时、无创监测人体体液中的各种化学标志物（电解质、代谢物、激素、药物等）（图 1）。这些传感器依赖于不同的外形尺寸，包括表皮流体贴片、腕带、纹身、绷带、纺织品、隐形眼镜和微针（图2）。 通过连续和同时监测多个生物标志物，可穿戴传感器阵列既可以提供不同的动态化学特征，有助于全面监测个人的健康状况，又可以在出现异常健康状况时发送警报。用于体液分析的可穿戴设备领域预计将在未来十年迅速发展。为了实现这一增长，可穿戴化学传感器必须提供与传统的实验室临床检测相当的可靠分析性能（即复杂生物流体中的准确生物标志物检测）。目前的努力旨在将可穿戴化学传感器的范围扩展到广泛的生物标志物和体液。

图1 用于体液分析的可穿戴传感平台（图源：Nature）

可穿戴设备将能够在分子水平上监测健康状况，通过各种体液，例如汗液、间质液 （ISF） 及呼吸，具有高时间分辨率和实时性。它们与计算机平板电脑、智能手机、软件应用程序和机器学习算法的连接可实现自动数据解释和结果预测。

图2 目前用于人类生命周期背景下各种体液的可穿戴传感设备（图源：Nature）

面向医疗健康领域的技术转化

可穿戴体液生物传感平台的成功转化对于实现其临床应用至关重要。但该过程需要各种结构和程序。

首先，需要构建以患者为中心的创新流程，生物标志物研究项目从一开始就让患者和研究参与者参与进来。患者提供的观点和生活经验可以大大改进技术干预的设计。尽管迄今为止用于生物物理监测的可穿戴设备大多集成在腕带和戒指等日常物品中，但下一代可穿戴设备将以贴在皮肤上或遮住嘴巴的贴片和口罩的形式出现，一旦得到充分验证，将触发临床后果，例如调整药物剂量，即使在家中也是如此。因此，患者将比他们习惯的更明显、更直接地参与其中。

其次，需要对数字生物标志物的临床试验进行严格监管及验证，包括有关选择和测试数字健康技术、管理数字数据流、支持站点、与卫生当局互动和开发端点的建议。不仅关于必要精度（适合目的）和采样频率的问题，电池寿命和患者舒适度等技术因素也需要特别注意。

最后，需要关注可穿戴技术在医疗系统中潜在的提高健康公平性、参与炎症水平的监测、满足儿童使用、能够在资源稀缺地区进行使用等。例如，需要考虑临床应用中的高假阳性率，以及因此导致的潜在的可预防、繁琐且昂贵的医生就诊；以及在转化阶段展示的可靠测试准确性对于说服护理提供者和支付方（如健康保险公司）支持使用这些设备至关重要；最后，确保安全的数据分析、交换和存储至关重要，重点是数据互操作性。

可穿戴设备体液分析的开发、验证、注册和商业化取决于可靠、可扩展且具有成本效益的制造工艺。因此在设备转化方面还有一些挑战：（1） 材料及其制造以确保一致性、柔韧性和导电性；（2） 所涉及的电子设备的各个方面，包括实时操作期间的噪声和缺乏灵活性；（3） 生物传感组件在长期使用和储存过程中的稳定性；（4） 传感器与解剖学和生理条件的兼容性；（5） 佩戴者的接受度；以及 （6） 充足的电源和充电。

在将可穿戴设备引入临床使用时，充足的电源和充电是重要问题，尤其是在进行远程无监督监测时。充足且自主的电源可确保在各种设置中针对各种设备形式和尺寸（例如，在资源匮乏地区使用智能镜片、贴片或面罩）进行诊断可用性和纵向多重分析。虽然可充电锂电池被广泛使用，但自供电设备将实现独立于资源的运行。

综上，尽管最近的试点试验已经证明了这些可穿戴设备的临床适用性，但它们的广泛应用需要在各种条件下进行大规模验证、道德考虑和社会文化接受度。将可穿戴设备从实验室原型成功转化为临床工具将进一步需要一个涉及所有利益相关者的全面过渡环境。可穿戴设备平台必须获得不同用户群体的接受，为各种医疗适应症增加临床价值，有资格获得报销，并为公共卫生计划做出贡献。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08249-4

*中文报道文章仅供参考，建议读者阅读英文原文。