Cerotto che controlla gli estrogeni nel sudore

Cerotto nanobiosensore aptamero indossabile con interfaccia cutanea basato sullo spostamento del filamento indotto dal bersaglio per il monitoraggio automatico e non invasivo dell'estradiolo tramite analisi del sudore in situ

L'ormone sessuale comunemente noto come estrogeno svolge un ruolo importante in molteplici aspetti della salute e della fertilità delle donne. Livelli elevati di estrogeni nel corpo sono associati a tumori al seno e alle ovaie, mentre bassi livelli di estradiolo possono causare osteoporosi, malattie cardiache e persino depressione. (Gli estrogeni sono una classe di ormoni che include l'estradiolo come forma più potente). L'estradiolo è anche necessario per lo sviluppo di caratteristiche sessuali secondarie nelle donne e regola il ciclo riproduttivo.

A causa delle sue numerose funzioni, l'ormone estradiolo è spesso monitorato in modo specifico dai medici come parte dell'assistenza sanitaria femminile, ma questo di solito richiede che la paziente si rechi in clinica per farsi prelevare il sangue per l'analisi in laboratorio. Anche i kit per i test casalinghi richiedono che campioni di sangue o urina vengano spediti a un laboratorio.

Ma ora i ricercatori del Caltech hanno sviluppato un sensore indossabile che monitora l'estradiolo rilevandone la presenza nel sudore. I ricercatori affermano che il sensore potrebbe un giorno rendere più facile per le donne monitorare i propri livelli di estradiolo a casa e in tempo reale.

La ricerca, descritta in un articolo pubblicato su Nature Nanotechnology (1), è stata condotta nel laboratorio del dottor Wei Gao (2), professore associato di ingegneria medica, ricercatore presso l'Heritage Medical Research Institute e Ronald e JoAnne Willens Scholar. Negli ultimi anni, Gao ha sviluppato sensori del sudore che rilevano il cortisolo, un ormone associato allo stress; la presenza del virus influenzale; un biomarcatore che indica l'infiammazione nel corpo; e un'intera serie di altri nutrienti e composti biologici.

Il professor Gao afferma che «lo sviluppo del sensore dell'estradiolo è stato stimolato in parte dalle richieste di persone insoddisfatte delle opzioni a loro disposizione per monitorare i livelli di estrogeni e che avevano visto i suoi lavori precedenti. Spesso mi chiedono se potrei realizzare lo stesso tipo di sensore del sudore per gli ormoni femminili, perché sappiamo quanto questi ormoni influiscano sulla salute delle donne».

Una popolazione di donne che trarrebbe beneficio dal monitoraggio dell'estradiolo sono quelle che stanno tentando di concepire un bambino, sia naturalmente che tramite fecondazione in vitro. Il successo di entrambi i metodi dipende dal momento giusto per quanto riguarda l'ovulazione, ma non tutte le donne hanno un ciclo riproduttivo che segue un programma regolare. Alcune donne sono state in grado di tracciare la loro ovulazione monitorando la loro temperatura corporea, ma Gao afferma che quel metodo ha un'utilità limitata perché non è molto accurato e la temperatura corporea non aumenta fino a quando non è iniziata l'ovulazione.

«Ma l'estrogeno aumenta prima dell'ovulazione», afferma. «Con questo sensore del sudore, saremmo in grado di avvisare le persone in anticipo».

Altri individui che potrebbero trarre beneficio da un sensore di estrogeni indossabile sono coloro che si sottopongono a terapia ormonale sostitutiva perché i loro corpi non producono sufficiente estradiolo. In questi pazienti, i livelli di estradiolo devono essere attentamente monitorati per garantire che assumano il dosaggio corretto.

Il sensore sviluppato dal team di Gao è simile per molti aspetti ai vari sensori sviluppati dal gruppo in passato. È costruito su una membrana di plastica flessibile; ha minuscoli passaggi incisi (microfluidica) per incanalare piccole quantità di sudore nel sensore; nanoparticelle d'oro stampate a getto d'inchiostro e pellicole di carburo di titanio (note come MXene) che conferiscono al sensore un'ampia superficie e conduttività elettrica per aumentarne la sensibilità.

La sfida principale, e ciò che questa volta ha richiesto modifiche nella progettazione del sensore, è che l'estradiolo, già presente a livelli piuttosto bassi nel sangue, è circa 50 volte meno concentrato nel sudore.

«Dato che la concentrazione è così bassa, è molto difficile rilevare automaticamente l'estradiolo nel sudore», afferma Gao.

Per il nuovo sensore, il team di ricerca ha utilizzato DNA a singolo filamento corto noto come aptamero. Gli aptameri funzionano come anticorpi artificiali e sono progettati per legarsi specificamente a una molecola bersaglio. Gli aptameri sono attaccati a una superficie modificata con nanoparticelle d'oro e si legano a molecole di DNA a singolo filamento etichettate con una molecola che può donare o accettare direttamente elettroni in determinate condizioni. Quando un aptamero si lega a una molecola di estradiolo, rilascia la molecola redox. Tale molecola viene ricatturata da un elettrodo vicino costituito da nanoparticelle d'oro rivestite di MXene, generando un segnale elettrico correlato al livello di estradiolo. Tale hardware trasmette quindi in modalità wireless i dati raccolti a un'app che funziona su uno smartphone, fornendo un'interfaccia semplice per l'utente.

Un'altra innovazione di questo dispositivo è stata la progettazione della microfluidica che raccoglie il sudore e lo incanala nel sensore. Le minuscole valvole automatiche incorporate nella microfluidica consentono solo a una piccola quantità fissa di sudore di entrare nel sensore e quindi impediscono l'ingresso di ulteriore sudore. La progettazione consente un'analisi stabile dell'estradiolo senza che ulteriore sudore disturbi il processo. Inoltre, per tenere conto della differenza nella composizione del sudore, il dispositivo raccoglie anche informazioni sul pH del sudore, sui suoi livelli di sale e sulla temperatura della pelle e li utilizza per la calibrazione in tempo reale.

I test in laboratorio hanno dimostrato che il sensore è in grado di monitorare in modo affidabile e accurato i livelli variabili di estradiolo nel sudore nel corso del ciclo riproduttivo, dal livello più basso durante le mestruazioni al livello più alto (10 volte maggiore) durante l'ovulazione.

Il dottor Gao afferma che ha intenzione di continuare a lavorare su questa tecnologia per consentirle di monitorare altri ormoni femminili, come l'ormone luteinizzante o il progesterone, entrambi coinvolti nell'ovulazione. Spera anche di miniaturizzare tutti questi sensori in modo che possano essere tutti inseriti in un piccolo dispositivo indossabile, come un anello poco appariscente che può essere indossato al dito.

I coautori sono i ricercatori associati post-dottorato in ingegneria medica Cui Ye, Minqiang Wang e Juliane R. Sempionatto; gli studenti laureati in ingegneria medica Jihong Min (MS '19), Heather Lukas (MS '21), Jiahong Li (MS '23) e Changhao Xu (MS '20); e Roland Yingjie Tay, precedentemente del Caltech e ora della Nanyang Technological University di Singapore. La ricerca è stata finanziata dai National Institutes of Health, dalla National Science Foundation, dall'Office of Naval Research, da una borsa di studio per la ricerca dell'American Cancer Society e da una borsa di studio per la ricerca Sloan.

Riferimenti:

(1) A wearable aptamer nanobiosensor for non-invasive female hormone monitoring

(2) Wei Gao

Descrizione foto: Se ulteriormente miniaturizzato, il sensore potrebbe essere indossato discretamente all'interno di un anello, affermano i ricercatori. - Credit: Caltech.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Wearable Patch Wirelessly Monitors Estrogen in Sweat