Eén populatie vrouwen die baat zou hebben bij monitoring van estradiol zijn degenen die proberen een kind te verwekken, hetzij op natuurlijke wijze, hetzij via in-vitrofertilisatie. Het succes van beide methoden is afhankelijk van de juiste timing met betrekking tot de ovulatie, maar niet alle vrouwen hebben een voortplantingscyclus die een regelmatig schema volgt. Sommige vrouwen hebben hun ovulatie kunnen volgen door hun lichaamstemperatuur te controleren, maar Gao zegt dat deze methode beperkt bruikbaar is, omdat deze niet erg nauwkeurig is en de lichaamstemperatuur pas stijgt als de ovulatie is begonnen.

"Maar oestrogeen neemt toe vóór de eisprong", zegt hij. "Met deze zweetsensor zouden we mensen van tevoren op de hoogte kunnen stellen."

Andere personen die baat zouden kunnen hebben bij een draagbare oestrogeensensor, zijn degenen die hormoonsubstitutietherapie (HST) ondergaan omdat hun lichaam niet voldoende estradiol produceert. Bij deze patiënten moeten de oestradiolspiegels zorgvuldig worden gecontroleerd om er zeker van te zijn dat ze de juiste dosering gebruiken.

De sensor die het team van Gao heeft ontwikkeld, is in veel opzichten vergelijkbaar met de verschillende sensoren die de groep in het verleden heeft ontwikkeld. Het is gebouwd op een flexibel plastic membraan; heeft kleine geëtste passages (microfluïdica) om kleine hoeveelheden zweet naar de sensor te kanaliseren; en met inkjet bedrukte gouden nanodeeltjes en titaniumcarbidefilms (bekend als MXenes) die de sensor een groot oppervlak en elektrische geleidbaarheid geven om de gevoeligheid te vergroten.

De belangrijkste uitdaging, en wat deze keer veranderingen in het ontwerp van de sensor dicteerde, is dat estradiol, dat al in vrij lage concentraties in het bloed aanwezig is, ongeveer 50 keer minder geconcentreerd is in het zweet.

"Omdat de concentratie zo laag is, is het een grote uitdaging om estradiol automatisch in het zweet te detecteren", zegt Gao.

Voor de nieuwe sensor maakte het onderzoeksteam gebruik van kort enkelstrengig DNA, bekend als aptameren. Aptameren werken als kunstmatige antilichamen en zijn ontworpen om specifiek aan een doelmolecuul te binden. De aptameren zijn bevestigd aan een oppervlak dat is gemodificeerd met gouden nanodeeltjes en binden zich aan enkelstrengige DNA-moleculen die zijn getagd met een molecuul dat onder bepaalde omstandigheden direct elektronen kan doneren of accepteren.

Wanneer een aptameer zich aan een estradiolmolecuul bindt, komt het redoxmolecuul vrij. Dat molecuul wordt heroverd door een nabijgelegen elektrode gemaakt van met MXene gecoate gouden nanodeeltjes, waardoor een elektrisch signaal wordt gegenereerd dat correleert met het oestradiolniveau. Die hardware verzendt de verzamelde gegevens vervolgens draadloos naar een app die op een smartphone draait, waardoor de gebruiker een eenvoudige interface krijgt.

Een andere innovatie in dit apparaat was het ontwerp van de microfluïdica die zweet verzamelen en naar de sensor leiden. Kleine automatische kleppen die in de microfluidica zijn ingebouwd, laten slechts een kleine, vaste hoeveelheid zweet in de sensor door en voorkomen vervolgens dat er extra zweet binnendringt. Het ontwerp maakt een stabiele estradiolanalyse mogelijk zonder dat extra zweet het proces verstoort. Om rekening te houden met het verschil in zweetsamenstelling verzamelt het apparaat bovendien informatie over de pH van het zweet, het zweetzoutgehalte en de huidtemperatuur, en gebruikt deze voor realtime kalibratie.

Testen in het laboratorium hebben aangetoond dat de sensor op betrouwbare en nauwkeurige wijze de veranderende niveaus van estradiol in het zweet in de loop van de voortplantingscyclus kan volgen, van het laagste niveau tijdens de menstruatie tot het hoogste niveau (10 keer hoger) tijdens de ovulatie.

Gao zegt dat hij van plan is aan deze technologie te blijven werken, zodat deze andere vrouwelijke hormonen kan monitoren, zoals luteïniserend hormoon of progesteron, die beide betrokken zijn bij de ovulatie. Hij hoopt ook al deze sensoren te miniaturiseren, zodat ze allemaal in een klein draagbaar apparaatje passen, zoals een onopvallende ring die aan de vinger kan worden gedragen.

Co-auteurs van de studie zijn onder meer postdoctorale wetenschappelijke onderzoeksmedewerkers in de medische techniek Cui Ye, Minqiang Wang en Juliane R. Sempionatto; afgestudeerde studenten medische techniek Jihong Min, Heather Lukas, Jiahong Li en Changhao Xu; en Roland Yingjie Tay, voorheen van Caltech en nu bij de Nanyang Technological University of Singapore.

Meer informatie: Cui Ye et al, Een draagbare aptameer-nanobiosensor voor niet-invasieve monitoring van vrouwelijke hormonen, Natuurnanotechnologie (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01513-0

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie

Aangeboden door California Institute of Technology