EPFL-ingenieurs, in samenwerking met startup Xsensio, hebben een draagbaar systeem ontwikkeld dat continu de concentratie van cortisol - het stresshormoon - in menselijk zweet kan meten. Hun apparaat kan artsen uiteindelijk helpen om stressgerelateerde aandoeningen zoals burn-out en obesitas beter te begrijpen en te behandelen.

We hebben ons allemaal wel eens gestrest gevoeld, hetzij in ons persoonlijke of professionele leven of als reactie op uitzonderlijke omstandigheden zoals de COVID-19-pandemie. Maar tot nu toe was er geen manier om stressniveaus op een objectieve manier te kwantificeren.

Dat zou snel kunnen veranderen dankzij een kleine draagbare sensor die is ontwikkeld door ingenieurs van EPFL's Nanoelectronic Devices Laboratory (Nanolab) en Xsensio. Het apparaat kan direct op de huid van een patiënt worden geplaatst en kan continu de concentratie cortisol, de belangrijkste stress-biomarker, in het zweet van de patiënt.

Cortisol:een tweesnijdend zwaard

Cortisol is een steroïde hormoon dat door onze bijnieren uit cholesterol wordt gemaakt. De secretie ervan wordt gecontroleerd door het adrenocorticotroop hormoon (ACTH), die wordt geproduceerd door de hypofyse. Cortisol vervult essentiële functies in ons lichaam, zoals het reguleren van de stofwisseling, bloedsuikerspiegel en bloeddruk; het beïnvloedt ook het immuunsysteem en de cardiovasculaire functies.

Als we ons in een stressvolle situatie bevinden, levensbedreigend of alledaags, cortisol is het hormoon dat het overneemt. Het instrueert ons lichaam om de benodigde energie naar onze hersenen te sturen, spieren en hart. "Cortisol kan in een impuls worden uitgescheiden - je voelt je goed en plotseling gebeurt er iets dat je onder stress zet, en je lichaam begint meer van het hormoon te produceren, " zegt Adrian Ionescu, hoofd van Nanolab.

Terwijl cortisol ons lichaam helpt te reageren op stressvolle situaties, het is eigenlijk een tweesnijdend zwaard. Het wordt meestal gedurende de dag uitgescheiden volgens een circadiaans ritme, pieken tussen 6 en 8 uur en dan geleidelijk afnemen in de middag en avond. "Maar bij mensen die lijden aan stressgerelateerde ziekten, dit circadiane ritme wordt volledig weggegooid, ", zegt Ionescu. "En als het lichaam te veel of te weinig cortisol aanmaakt, die de gezondheid van een persoon ernstig kunnen schaden, mogelijk leidend tot zwaarlijvigheid, hart-en vaatziekte, depressie of burn-out.”

Het hormoon vastleggen om het te meten

Bloedonderzoek kan worden gebruikt om momentopnames te maken van de cortisolspiegels van patiënten. Echter, detecteerbare hoeveelheden cortisol kunnen ook worden gevonden in speeksel, urine en zweet. Ionescu's team bij Nanolab besloot zich te concentreren op zweet als detectievloeistof en ontwikkelde een draagbare slimme patch met een geminiaturiseerde sensor.

De patch bevat een transistor en een elektrode gemaakt van grafeen die, vanwege zijn unieke eigenschappen, biedt een hoge gevoeligheid en zeer lage detectielimieten. Het grafeen wordt gefunctionaliseerd door middel van aptameren, Dit zijn korte fragmenten van enkelstrengs DNA of RNA die aan specifieke verbindingen kunnen binden. De aptamer in de EPFL-patch heeft een negatieve lading; wanneer het in contact komt met cortisol, het vangt het hormoon onmiddellijk op, waardoor de strengen op zichzelf vouwen en de lading dichter bij het elektrode-oppervlak komt. Het apparaat detecteert vervolgens de lading, en kan daardoor de cortisolconcentratie in het zweet van de drager meten.

Tot dusver, er is geen ander systeem ontwikkeld voor het continu monitoren van de cortisolconcentraties gedurende de circadiane cyclus. "Dat is het belangrijkste voordeel en de innovatieve eigenschap van ons apparaat. Omdat het gedragen kan worden, wetenschappers kunnen kwantitatieve, objectieve gegevens over bepaalde stressgerelateerde ziekten. En dat kunnen ze op een niet-invasieve, nauwkeurige en onmiddellijke manier over het volledige bereik van cortisolconcentraties in menselijk zweet, ' zegt Ionescu.

Engineering verbeterde gezondheidszorg

De technici hebben hun apparaat getest op Xsensio's eigen Lab-on-SkinTM-platform; de volgende stap zal zijn om het in handen te geven van gezondheidswerkers. Esmeralda Megaly, CEO van Xsensio, zegt:"Het gezamenlijke R&D-team van EPFL en Xsensio heeft een belangrijke R&D-mijlpaal bereikt in de detectie van het cortisolhormoon. We kijken ernaar uit om deze nieuwe sensor in een ziekenhuisomgeving te testen en nieuw inzicht te krijgen in hoe ons lichaam werkt." Het team heeft een brugproject opgezet met Prof. Nelly Pitteloud, hoofd van de endocrinologie, diabetes en metabolisme in het Universitair Ziekenhuis van Lausanne (CHUV), voor haar medewerkers om het continue cortisol-monitoringsysteem uit te proberen bij menselijke patiënten. Bij deze proeven zullen zowel gezonde individuen als mensen die lijden aan het syndroom van Cushing (wanneer het lichaam te veel cortisol aanmaakt) betrokken zijn. Ziekte van Addison (wanneer het lichaam niet genoeg produceert) en stressgerelateerde obesitas. De ingenieurs geloven dat hun sensor een belangrijke bijdrage kan leveren aan de studie van de fysiologische en pathologische ritmen van de secretie van cortisol.

Dus hoe zit het met psychische ziekten veroorzaakt door te veel stress? "Voor nu, ze worden alleen beoordeeld op basis van de percepties en gemoedstoestanden van de patiënt, die vaak subjectief zijn, " zegt Ionescu. "Dus met een betrouwbare, draagbaar systeem kan artsen helpen objectief te kwantificeren of een patiënt lijdt aan depressie of burn-out, bijvoorbeeld, en of hun behandeling effectief is. Bovendien, artsen zouden die informatie in realtime hebben. Dat zou een grote stap voorwaarts betekenen in het begrijpen van deze ziekten." En wie weet, misschien zal deze technologie ooit worden verwerkt in slimme armbanden. "De volgende fase zal zich richten op productontwikkeling om deze opwindende uitvinding om te zetten in een belangrijk onderdeel van ons Lab-on-Skin-detectieplatform, en stressmonitoring naar de volgende generatie wearables te brengen, ' zegt Megalie.