隐形眼镜上的实验室：用血清素测压力

“隐形眼镜实验室”能测量泪液中的神经递质血清素，或许为无创分析压力水平提供了一种全新的可穿戴方法，一项新研究发现。

“泪液有望成为一种实用、无创的生化信息来源，可以随时间反复测量，”洛杉矶Terasaki生物医学创新研究所生物医学设备中心主任Yangzhi Zhu说。“目前大多数生物标志物检测仍依赖抽血或孤立的实验室测量，得到的只是某个瞬间的快照。基于隐形眼镜的可穿戴平台最终或许能让人们在日常生活中更连续地追踪生化变化。”

压力与抑郁症、精神分裂症等多种疾病的发生有关。目前医生通常用问卷或日记来评估压力，但这些方法主观性很强，难以做出准确判断。在这项新研究中，研究人员试图造出一种测量血清素的设备，从而为评估压力提供一种可能更客观的方法。血清素常被称为“快乐”激素，在调节情绪中起核心作用。它主要存在于消化道、血液和神经系统中，但泪液中也能检出少量。据此，科学家们探究了泪液是否能成为一条无创、易获取的途径，用来分析血清素水平。然而，Zhu说，由于血清素浓度极低，“传感器必须极其灵敏，同时还要能把血清素与泪液中的其他分子区分开。”

开发智能隐形眼镜

Zhu和团队制作了柔软、可重复使用的水凝胶镜片，其中封装了柔性、生物相容的石墨烯电极和银电极，电极以蛇形图案印刷，设计上能够承受反复形变。他们将一种名为二茂铁的化合物键合到石墨烯上，以稳定、可重复的方式帮助检测血清素。

研究人员在实验室培养皿中测试了这种智能隐形眼镜，使用的是市售人工泪液，并掺入了血清素。镜片能检测到低至每升72万亿分之一摩尔的血清素，远低于人类泪液中约每升150亿分之一摩尔的平均血清素浓度。实验还表明，镜片在超过28天的反复翻折、折叠、拉伸和扭曲后仍能保持功能。

科学家还在培养皿中测试了这些镜片，使用的是从10名志愿者那里采集的泪液，采集时间分别为每人完成两项压力任务（公开演讲和数学挑战）前五分钟、刚完成后以及大约30分钟后。正如预期，泪液中的血清素水平随压力增加而下降。

此外，研究人员将其中一枚镜片放在一头麻醉活猪的眼睛上约五分钟。当给眼睛滴入血清素浓度为50和100纳摩尔的人工泪液时，镜片能够检测到血清素。此外，镜片没有引起任何感染或刺激迹象。

“我们能够使用软性隐形眼镜平台检测泪液中极低浓度的血清素，同时保持镜片的透明度、柔韧性和舒适相关特性，”Zhu说。

在实验室和猪身上用镜片检测血清素时，科学家通过柔软灵活的镍丝将镜片连接到读出设备。Zhu及其同事已经开发出一种概念验证的无线版镜片，集成了小型化近场通信（NFC）芯片和可拉伸天线，实现无电池传感和基于智能手机的数据传输。不过，他们表示还需要进一步优化、安全测试和验证。（Zhu说，也可以制作这些镜片的矫正版本。）

非侵入式生物传感的前景

总的来说，“我认为这项工作凸显了可穿戴生物传感的一个令人兴奋的方向——超越心率和温度等物理信号，迈向对分子信息的连续监测，”加州理工学院医学工程教授Wei Gao说，他没有参与这项研究。“眼睛和泪液为此提供了一个有趣的接口，因为它们可能使重复的生化测量无需采血即可实现。”

在科学家通过每天限制小鼠活动数小时来增加其压力的实验中，研究人员发现，小鼠血液和眼泪中的血清素水平下降幅度相似。这些发现表明，眼泪或许能无创地反映血液中的血清素水平，但Zhu表示，在医生将这些镜片用于医学之前，还需要更多测试。

“我们需要了解眼泪中的血清素在不同个体、不同时段、不同压力条件、不同眼表状态和不同疾病条件下如何变化，以及这些测量结果与血液生物标志物和临床评估之间的关系，”Zhu说。

研究人员在用镜片测量血清素的同时，也在眼泪的实验室检测中测量了压力激素皮质醇。目前已有多种技术被开发用于监测皮质醇，例如通过贴片测量汗液或皮下液体中的皮质醇。Zhu说，同时测量血清素和皮质醇可以提供互补信息——皮质醇反映的是对压力的即时、短期反应，而血清素则描绘出一个人长期面对的状况。他补充说，检测血清素也更具挑战性，这展示了他们的技术能做到什么。

Zhu说，未来科学家希望不再局限于用镜片只测量血清素，而是同时分析多种分子，从而“更全面地了解一个人的生理状态”。“长期目标是开发一个舒适的可穿戴平台，能够在日常生活中长期追踪生化变化。”

科学家于9月16日在《Science Translational Medicine》期刊上详细介绍了他们的发现。

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