ウェアラブルな汗センサーが痛風の原因となる成分を検出

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(Wearable Sweat Sensor Detects Gout-Causing Compounds)

2019/11/25 アメリカ合衆国・カリフォルニア工科大学 (Caltech)

・ Caltech が、汗の成分を分析して血液中の代謝物質や栄養レベルをモニタリングできる、マイクロ流体によるウェアラブルバイオセンサーを開発。

・ これまでに開発された汗センサーの多くでは、電解質やグルコース等の高濃度で汗に含有される成分の検出を目的としているが、新開発のバイオセンサーは、より高感度で低濃度の成分を検出。同センサーは大量生産もできる。

・ このような汗センサーを使用すれば、医師が心疾患、糖尿病や腎疾患患者を継続的にモニタリングして患者の健康状態を正確に把握できる。また、患者は侵襲的で痛みを伴う皮下注射を回避でき、個人に特化したモニタリング、早期診断や適時の医療介入が可能に。

・ 同バイオセンサーは、幅が 2.5μm を下回るチャネル(溝)を通る微量の液体を制御するマイクロ流体をベースとしたもので、汗の蒸発や皮膚の汚れによるセンシング精度への影響を最低限に抑制する。発汗後の汗がマイクロチャネルを流れると、より高精度で汗を測定し、一時的な濃度の変化を捉える。

・ マイクロ流体ベースのウェアラブルセンサーの多くは、複雑で高コストなリソグラフィー – 蒸着プロセスで製造されるが、今回は CO2 レーザーでプラスチックシートを加工することで、グラフェンベースのバイオセンサーと微細なマイクロ流体チャネルを作製した。

・ 同バイオセンサーでは、呼吸数、心拍数および尿酸値とチロシン値を検出。チロシン値は代謝異常、肝障害、摂食障害や神経精神疾患の、尿酸値は痛風や世界的に増加傾向にある関節痛の指標となる。

・ 健常者と病者によるセンシング性能の一連の試験を実施。個人の体力が影響する、汗に含まれるチロシン値の検出には、訓練を受けているアスリートと平均的な体力の個人の 2 グループで試験し、予測どおりアスリートの汗で低レベルのチロシン値を検出した。

・ 尿酸値の検出試験では、健常者の 2 グループによる断食中およびプリオン(尿酸に代謝される食品成分)を豊富に含む食事後の汗をモニタリングし、食後の尿酸値の上昇を検出。痛風患者による同様な試験では、健常者に比して高い尿酸値を確認した。

・ また、痛風患者と健常者の血液サンプルを用いて同バイオセンサーの精度を試験し、同センサーが検出した尿酸値が血液に含まれる成分と強く相関することも確認。

・ 高感度で製造が容易な同バイオセンサーは、将来的には患者の自宅でのモニタリングに使用できると考える。健康状態に関するリアルタイムの情報を得ることで、治療薬のレベルや必要に応じた食事療法の調整が可能になる。

・ 本研究には、Rothenberg Innovation Initiative プログラム、Carver Mead New Adventures Fund および米国心臓協会(AHA)が資金を提供した。

URL: https://www.caltech.edu/about/news/wearable-sweat-sensor-detects-gout-causingcompounds

(関連情報)

Nature Biotechnology 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)

A laser-engraved wearable sensor for sensitive detection of uric acid and tyrosine in sweat

URL: https://www.nature.com/articles/s41587-019-0321-x

<NEDO海外技術情報より>

Abstract

Wearable sweat sensors have the potential to provide continuous measurements of useful biomarkers. However, current sensors cannot accurately detect low analyte concentrations, lack multimodal sensing or are difficult to fabricate at large scale. We report an entirely laser-engraved sensor for simultaneous sweat sampling, chemical sensing and vital-sign monitoring. We demonstrate continuous detection of temperature, respiration rate and low concentrations of uric acid and tyrosine, analytes associated with diseases such as gout and metabolic disorders. We test the performance of the device in both physically trained and untrained subjects under exercise and after a protein-rich diet. We also evaluate its utility for gout monitoring in patients and healthy controls through a purine-rich meal challenge. Levels of uric acid in sweat were higher in patients with gout than in healthy individuals, and a similar trend was observed in serum.

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