汗液叶酸无创POCT检测系统，有望支持长期产前营养监测

前言

以叶酸为例，它是维生素B9，也是DNA合成、生物甲基化和细胞增殖所必需的关键辅酶。叶酸缺乏可导致严重胎儿发育异常，包括神经管缺陷、先天性心脏缺陷和巨幼细胞性贫血。全球每年有超过30万例妊娠受到神经管缺陷影响，因此叶酸是生殖健康和产前营养管理中最重要的生物标志物之一。目前，叶酸水平评估主要依赖血液检测。血叶酸检测虽然成熟，但需要采血、实验室设备和专业人员，难以支持高频动态监测。

近日，美国西北大学及多个科研机构合作在杂志Nature Biomedical Engineering 上发表了一篇题为“Skin-interfaced microfluidic capsule and portable lab-on-a-disc platform for sweat-based monitoring of prenatal nutrient balance”的文章。作者提出了一套由两部分组成的用于汗液叶酸检测的无创POCT系统。第一部分是贴在皮肤上的微流控汗液微胶囊，用于收集和储存微升级原始汗液，第二部分是便携式lab-on-a-disc离心微流控ELISA平台，用于自动完成孵育、洗涤、混合和电化学检测。人体实验显示，口服叶酸补充剂后，汗液叶酸水平呈剂量响应变化，并且汗液叶酸与血清叶酸之间具有较强相关性。连续8天监测可区分无补充期和每日摄入叶酸期。

图片来源：Nature Biomedical Engineering

主要内容

01

平台的总体设计

作者设计的关键思路是把汗液采集和免疫检测分开。先用皮肤微胶囊收集固定体积的汗液，再把微胶囊转移到lab-on-a-disc平台上，由离心微流控系统按照预设程序完成完整ELISA流程（图a-c）。这样一来，免疫反应不容易受汗流速、汗液体积和体温影响。

皮肤微胶囊类似一个小型透明贴片，可以贴在指尖等部位采集汗液（图e）。采满后把微胶囊从皮肤上取下，贴到lab-on-a-disc模块的指定位置（图f）。随后放入便携设备中，通过设定转速完成液体转移、孵育、洗涤、底物反应和电化学检测，最终结果可通过蓝牙低功耗通信传输给用户或医生。

平台的总体设计概述。图片来源：Nature Biomedical Engineering

02

汗液微胶囊可保证汗液样本可控

微胶囊解决了汗液检测的样本前处理难题，保证了汗液的定量、保存和转移。

微胶囊包含两个腔室，一个用于收集汗液等分样本，体积约12.5 μL，另一个集成汗液激活的比色法TTI，用于定量分析收集到的汗液样本所经历的累计热量暴露。微胶囊通过毛细爆破阀控制汗液流向。汗液先进入TTI腔，充满后阻止汗液进一步流入，汗液随后流入采样腔，最终形成约12.5 μL汗液样本并可被转移至lab-on-a-disc（图a）。

微胶囊材料对水分的阻隔能力较好。在实验室环境下7天蒸发损失约5%，在 −20°C 或4°C条件下，1个月水分损失低于1%。微胶囊贴到lab-on-a-disc后，在约18 Hz转速下，离心力可以将汗液转移进入盘内微流控系统，优化后转移效率超过90%（图c）。微胶囊还内置TTI，汗液激活后随温度和时间发生颜色衰减。温度越高，颜色变化越明显，可提示此汗液样本在储存期间有没有经历过可能影响检测结果的热暴露。

汗液微胶囊汗液收集过程。图片来源：Nature Biomedical Engineering

03

lab-on-a-disc的自动化ELISA流程

作者使用了叶酸竞争性ELISA。汗液中的叶酸与生物素标记叶酸竞争结合抗叶酸抗体微球，链霉亲和素-HRP结合生物素标记竞争物。随后TMB/H₂O₂底物被HRP氧化，氧化TMB进入电化学检测腔，通过安培法读出。汗液中叶酸越多，竞争物结合越少，最终HRP信号越低。

lab-on-a-disc通过离心力和被动阀结构，把传统ELISA中的加样—孵育—洗涤—加底物—检测变成一套自动流体程序。先把汗液和HRP/生物素化竞争物转移到含抗叶酸抗体微球的反应腔，孵育。然后通过高速旋转将反应液排入废液腔，同时洗涤。再通过虹吸阀引入第二次洗涤液和TMB/H₂O₂底物，最终把反应产物转移到电化学检测腔。整套流程依赖预设转速变化，而不是外接泵或人工移液。

为了解决蛋白试剂会污染通道和阀门的问题，作者设计了一个可重复使用的多路复用模块，通过疏水表面、洗涤缓冲液清洗和高速旋转干燥来恢复阀门性能。测试结果显示，经洗涤后人血清白蛋白残留基本被清除。

lab-on-a-disc ELISA检测的操作过程。图片来源：Nature Biomedical Engineering

04

平台的检测性能和人体实验

在人工汗液中，lab-on-a-disc ELISA的叶酸检测线性范围为0.5–200 ng/mL，平台最终实现的汗液叶酸检测LOD为0.152 ng/mL，与汗液中常见叶酸浓度范围1–10 ng/mL匹配。在含NaCl、尿酸、葡萄糖、乳酸钠等常见汗液成分的条件下，叶酸检测也能保持稳定。平台与传统板式ELISA具有良好一致性（图f）。−20°C储存6周后，检测性能仍能保持（图g）。这说明该系统具备一定方法学可靠性和试剂储存可行性。

作者纳入了9名健康参与者，包括5名男性和4名女性。实验结果显示，口服叶酸补充后，汗液叶酸水平随时间和剂量发生变化，并与血清叶酸水平有较强相关性。进一步的连续监测实验显示，两个参与者在无补充期基线汗液叶酸较稳定，每日摄入叶酸后，汗液叶酸出现波动和升高。8天追踪实验也能区分无补充期和每日800 μg叶酸摄入期（图j和k）。这些结果说明，该系统有潜力用于动态营养监测。

叶酸补充剂对汗液和血液中浓度影响的研究。图片来源：Nature Biomedical Engineering

总结与讨论

作者提出了一套用于汗液叶酸监测的无创POCT系统。皮肤微流控微胶囊负责收集和储存约12.5 μL原始汗液，便携式lab-on-a-disc平台通过离心微流控自动完成竞争ELISA检测。平台在人工汗液中实现约0.152 ng/mL叶酸检测限，覆盖汗液叶酸常见浓度范围。人体实验显示汗液叶酸与血清叶酸相关性较强，能够反映叶酸补充剂摄入后的动态变化。

但这项研究也有明显局限性。首先，人体实验样本量很小，只有9名健康参与者，且并非孕妇队列，因此不能直接推断其在真实孕前或孕期人群中的临床有效性。研究主要验证叶酸补充后的短期动态，未证明汗液叶酸可以可靠识别临床叶酸缺乏。其次，汗液叶酸仍需进一步研究来建立明确、可临床解释的定量关系。最后，当前流程距离完全一体化家庭检测仍有工程优化空间，且，未来能否扩展到维生素D等其他产前营养指标，还需要针对不同分子建立独立检测体系。

总之，通过皮肤微胶囊采样和便携lab-on-a-disc自动化免疫分析，汗液有机会成为产前营养状态无创、低负担、可远程监测的新样本类型。 可长期追踪个体对补充剂的吸收和排泄反应，从而把产前营养补充从统一推荐推进到更精细的个体化管理。

注：本文内容仅供行业动态参考，不构成任何投资建议或临床医疗决策依据。

来源：小桔灯网｜作者：动力彩虹