摘要
关键词
- 可穿戴设备 (Wearable devices)
- 体液分析 (Body-fluid analysis)
- 健康监测 (Health monitoring)
- 生物标志物 (Biomarkers)
- 生物化学传感器 (Biochemical sensors)
- 人工智能 (Artificial intelligence)
- 临床转化 (Clinical translation)
研究背景
随着医疗技术的发展，可穿戴设备逐渐从传统的生物物理监测扩展到生物化学监测领域。传统的生物分子监测依赖于侵入性采血，而现代可穿戴设备可通过汗液、唾液等体液的无创采集实现实时分子监测。此类设备在临床研究中的成功应用表明其在筛查与诊断、治疗监控及资源有限环境中的潜力。然而，其大规模临床应用仍面临准确性验证、数据分析和社会接受度等挑战。作者撰写此综述以总结领域内的最新进展，提出解决挑战的建议，并探索潜在的临床转化路径。
关键点
- 可穿戴设备在体液监测中的发展现状。
- 汗液、唾液、眼泪等体液的检测技术。
- 生物化学传感器的设计与应用。
- 人工智能技术在数据分析中的作用。
- 技术转化与社会接受的关键挑战。
- 临床应用场景和潜在的公共卫生影响。
研究内容
汗液监测的进展：当前的汗液传感器能够通过皮肤贴片实时监测多种分子，包括电解质、代谢物和炎症标志物。新兴的微流控技术显著提升了传感器的检测精度和便携性。
间质液传感：基于微针的传感器已被广泛用于连续血糖监测，并逐步扩展至其他小分子标志物的实时检测。
呼气分析：可穿戴呼气传感器通过分析挥发性有机化合物实现疾病诊断和治疗监控，例如利用CRISPR技术检测呼吸道病毒标志物。
人工智能的应用：基于机器学习的算法能够优化传感器数据的分析精度，改善疾病预测和个性化健康管理。
公共卫生应用：在资源有限地区，可穿戴设备为慢性病管理和复杂诊断提供了一种低成本、高效率的解决方案。
(a) 汗液传感，展示了一种电子皮肤，可以进行包括生化汗液分析（如 \( \text{Na}^+ \)、\( \text{NH}_4^+ \)、\( \text{K}^+ \)、乳酸、葡萄糖和尿酸）以及生物物理测量（如温度、脉搏和皮肤电反应（GSR））在内的多模态传感。比例尺：1 cm。CARES，综合人工智能增强电子皮肤；PDMS，聚二甲基硅氧烷。
(b) 间质液（ISF）传感，展示了一种基于微针的设备，具有一次性传感器和可重复使用的电子器件，用于监测葡萄糖、乳酸和酒精。(i) 一次性传感器阵列和可重复使用电子器件的微针传感器贴片正视图。比例尺：1.5 cm。传感结果显示在用户的智能手机上 (ii)。单个微针电极的尖端通过扫描电子显微镜可视化 (iii)。比例尺：75 µm。MNeedle array，微针阵列；PCB，印刷电路板。
(c) 呼气分析，展示了一种基于 CRISPR 的侧向流动测定（LFA）平台和嵌入式折纸样本制备单元，可以直接检测 SARS-CoV-2 基因。RT-RPA，逆转录重组聚合酶扩增；SHERLOCK，一种基于 CRISPR 的分子诊断工具；\( \mu \text{PAD} \)，基于微流控纸的分析设备。
每个生命周期都有不同的挑战和需求。理解年龄与疾病的关系并将其与可用性相结合至关重要。因此，可穿戴传感器可以为婴儿开发奶嘴，为成年人开发戒指，为老年人开发助听器等设备。ECG，心电图。
(a) 一个应用实例是用于管理细菌感染的抗生素治疗监测。迄今为止，对细菌感染的评估主要在专业实验室中通过耗时且成本高的程序完成，用于确定潜在病原体、评估炎症状态和监测药物浓度。将这些测试整合到可连接的基于智能手机的分析中，使得在医院和门诊环境中实现无缝的以患者为中心的健康监测。GP，全科医生；IL-6，白细胞介素-6；IL-10，白细胞介素-10；TNF，肿瘤坏死因子。
(b) 另一应用实例是促进资源匮乏地区的复杂诊断医疗获取。通过选择针对医疗指征的相应生物传感器和体液，可穿戴设备体液分析能够识别和监测下呼吸道感染、导致皮疹的疾病、眼部疾病和代谢紊乱等。
结论与展望
可穿戴设备的体液分析技术正推动远程健康监测的新范式。尽管仍存在技术与伦理挑战，但结合人工智能和多模态传感器的进展将进一步增强其临床价值，尤其是在资源有限地区和精准医疗中的应用潜力。
论文直达
原文标题：Applied body-fluid analysis by wearable devices
Nature, 2024, 636, 57–67。
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