汗液作为诊断生物体液

皮肤界面微流体系统有助于评估健康状况和化学品暴露

Sweat as a diagnostic biofluid | Science

皮肤中的汗腺是蒸发冷却巧妙系统的关键组成部分。它们的作用由交感神经系统以自适应的闭环方式控制，以帮助在体力或脑力消耗或暴露于高温期间维持热稳态。汗液不仅可以带走热量，还有助于排出体内其他化学物质和代谢物。工程学的最新进展使内分泌汗液能够以软微流体分析系统的形式用于诊断目的，该系统可轻柔地粘附在皮肤上，用于直接来源的微升样品的原位捕获，储存和生化评估。这些非侵入性技术为使用汗液评估健康状况和化学平衡、筛查疾病状况、监测基本化学物质的损失以及检测微量毒素或外源性物质创造了广泛的可能性，而无需外部样本收集和分析。

内分泌腺出现在身体的所有区域;在大多数情况下，它们负责最大的汗液流失总量。存在于真皮层中的另外两种主要类型的汗腺能产生具有相对复杂和可变化学成分的汗液。这些考虑促使选择内分泌腺作为汗液分析的中心焦点。

汗液测定的历史标准方法依赖于收集方法，主要使用实验室台式仪器进行分析。以这种方式测定的出汗动力学和汗液含量的定量测量为生理健康、心理压力、营养平衡和异物暴露提供了重要的线索。公认的例子包括基于氯化物浓度的囊性纤维化（CF）医学检测，通过痕量分析对禁用物质进行药物筛查，以及用于监测水和电解质损失的运动表现的水合状态。

与血液和组织液采样不同，汗液是无创收集的，且还可避免与其他非侵入性生物体液（如唾液、眼泪和尿液）相关的污染、刺激和不便等问题。然而，对专业设备、熟练技术人员和严格规程的要求限制了汗液在常规诊断中的广泛用途。可穿戴微流控贴片可以在几乎任何环境中以简单、经济高效且无创的方式实时进行分析，而无需训练有素的人员。这些设备通常针对单一或特定的一组化合物，而不是广谱的汗液成分。然而，汗液样本的原位分析可以应用于具有医学相关性的广泛应用，包括CF的疾病筛查，管理肾脏疾病，跟踪压力水平，监测免疫反应以及指导处方药的使用。

皮肤界面微流体装置利用内分泌腺的自然泵送作用，起源于分泌线圈，分泌线圈通过管腔连接到通过真皮和表皮的导管，终止于皮肤表面（见图）。围绕这些线圈的胆碱能神经末梢的刺激驱动钙2+离子的流入进入周围细胞并导致Cl−的运输和Na离子进入腔内。NaCl浓度相对于周围细胞和间质空间的浓度相应增加，产生渗透压梯度，将水驱动到腔内，最终表现为汗液离开皮肤毛孔。

从皮肤释放的流动速率和汗量取决于健康和水合作用状态的基本方面。此外，主动和被动运输机制导致不同的化学成分，跨越数百种成分，包括电解质，代谢物，激素，蛋白质，药物，营养素，有机污染物和重金属毒素。基于这些物种浓度的诊断见解受益于并经常需要对出汗率的精确了解;累积的汗液流失量;通常还有体温、体力消耗和心肺活动。

这些测量功能来自最近开发的技术。柔软，灵活的微流体系统可以与皮肤建立坚固，水密的粘合剂界面。这些皮肤贴片在汗液从皮肤毛孔中流出时直接收集汗液，通过设备底部的入口进入微通道和微阀网络，到达微储液器以进行存储、传感或两者兼而有之。这些设备可以测量汗液释放的动态。监测区域出汗率和累积出汗量可以跟踪全身参数，以估计出汗过程中电解质和其他化学物质的损失。这种传感能力来自利用微流体系统对汗液进行捕获、存储和生物标志物分析的设备。集成的阀门允许在不混合的情况下按顺序进入相应的储液槽，作为随着时间的推移精确分离一致体积的汗液样品的基础。这些传感器根据单个生物标志物（如气相色谱-质谱或高效液相色谱）的标准临床测定进行了验证。用于捕获、操纵和分析微量汗液的微流体汗液装置对于实现汗液生物标志物标准化以及降低远程环境中环境污染或处理错误的风险至关重要。

比色和荧光指示剂以及化学测定可以对汗液动力学、损失和化学成分进行定量评估。通过颜色或荧光强度变化对汗液生物标志物做出反应的化学物质允许通过分析从微流体结构的透明区域收集的数字图像进行定量测量。可能的生物标志物的例子包括葡萄糖，乳酸，肌酐，氨，尿素，氯化物，钠，锌，铁，钙，维生素C，pH，黄嘌呤，酮和酒精。

电化学传感器和相关无线电子设备可以支持化学分析中的其他选项。存在葡萄糖，乳酸，氨，尿酸，钾，钠，氯化物，钙，锌，铜，镉，铅，汞，维生素C，皮质醇，咖啡因，pH，左旋多巴，甲基黄嘌呤，酪氨酸，双嘧达莫，对乙酰氨基酚，尼古丁和酒精的电化学方法。电化学分析允许对各种分析物进行连续监测和适用，但会增加设备成本，并因电源和数据通信要求而对耐磨性造成限制。

在所有情况下，设备操作都需要通过刺激体温调节反应来激活内分泌腺，最有效地应用于暴露于温暖潮湿环境（如桑拿浴室，浴缸或淋浴）或从事运动的健康成年人。对于婴儿，老年患者或其他弱势群体，新兴的替代方案包括通过皮肤的药剂离子电泳运输诱导出汗的系统和微流体装置设计，用于捕获从皮肤表面不断出现的微小汗液，称为无感汗液。

这些可穿戴技术的初始版本已广泛用于医疗诊断和水合监测。前者的一个突出例子是测量用于CF筛选的汗液中氯化物的浓度，使用具有监管认证的试剂盒捕获盘管中的汗液，然后使用台式氯度计分析提取的样品。先进技术利用薄的微流体“贴纸”，支持基于氯化物测定的收集和原位比色读数。

这种形式的分析提供实时的临床级CF筛查，无需训练有素的人员或台式化学分析仪，价格（约10美元）仅为现有临床级汗液测试（约250美元）的一小部分。微流体贴纸是临床标准的简单、低成本替代品，具有更高的可靠性和适用性，可用于快速、家庭测试和广泛部署。用于医疗应用的可穿戴汗液传感平台的研究示例出现在文献中，但尚未获得美国食品和药物管理局（FDA）的批准。该应用范围包括检测痛风和肾脏疾病的汗液尿素;监测皮质醇以进行身体和认知压力管理;追踪细胞因子[如白细胞介素-1α （IL-1α）、IL-1β、IL-6、IL-8、肿瘤坏死因子 （TNF） 和转化生长因子-β （TGF-β）] 以评估免疫反应;并指导使用与神经系统疾病相关的药物，如左旋多巴与帕金森病患者。

该设备概念的消费版本现在可用于运动表现应用，以确定出汗引起的全身水分和电解质流失。该系统与智能手机应用程序配对，该应用程序提供定量的个性化反馈，以指导补液和补充（13）。最近的平台既扩展了汗液监测的这些功能，又增加了互补生物物理参数的传感器（14）。一个这样的系统监测急救人员和体力劳动者的热衰竭和脱水迹象。该技术将一次性、皮肤界面的微流体系统与用于数字传感、无线通信、触觉警报、数据存储和分析的多用途无线电子模块集成在一起 。对石油和天然气行业消防员和工人的大规模验证研究涉及连续测量出汗率、汗液流失、电解质流失、皮肤温度和体力活动。

其他商业设备在腕带中集成了电化学传感器，以测量汗液中乙醇的浓度，作为血液酒精的替代品。对汗液中其他生物标志物的评估需要先进的分析技术，通过使用吸收垫、管或微流体系统收集汗液样本，每个系统都有 FDA 的批准和注册。应用包括筛选药物（如芬太尼、羟考酮或氢吗啡酮）和测量炎症细胞因子（如 IL-6）。正在进行的努力寻求为这些和其他生物标志物（如皮质醇）建立侧向流动测定，并可选择集成到微流体平台中，这些平台还支持可编程模块，以主动诱导汗液进行分析或释放用于药物，维生素和化学兴奋剂透皮递送的成分。

从人体生理学的角度来看，汗水已被确立为人体必需物质流失的机制和暴露于外源性化学物质的二元指标。相比之下，汗液化学和血液化学的某些方面之间的关系仍然知之甚少。解决这些不确定性的研究可以应用于已知的汗液生物标志物和新发现的汗液生物标志物，以进一步扩大临床应用的选择。随着先进的电化学传感器、汗液收集策略、闭环反馈系统以及经皮药物和补充剂递送模块的加入，未来版本的软微流体平台可以实现全自动操作模式，将医学生物标志物的测量与临床报告以及相应的药物和营养物质递送相结合。