Gracias por visitar nature.com.Está utilizando una versión de navegador con soporte limitado para CSS.Para obtener la mejor experiencia, le recomendamos que utilice un navegador más actualizado (o desactive el modo de compatibilidad en Internet Explorer).Mientras tanto, para garantizar un soporte continuo, mostramos el sitio sin estilos ni JavaScript.Nature Biomedical Engineering (2022) Citar este artículoLos biosensores portátiles no invasivos para el control continuo de los metabolitos en el sudor pueden detectar algunos analitos en concentraciones suficientemente altas, normalmente durante el ejercicio vigoroso, para generar una cantidad suficiente de biofluido.Aquí presentamos el diseño y el rendimiento de un biosensor electroquímico portátil para el análisis continuo, en el sudor durante el ejercicio físico y en reposo, de niveles de trazas de múltiples metabolitos y nutrientes, incluidos todos los aminoácidos y vitaminas esenciales.El biosensor consiste en electrodos de grafeno que se pueden regenerar repetidamente in situ, funcionalizados con polímeros impresos molecularmente similares a anticuerpos específicos de metabolitos y nanopartículas indicadoras activas redox, e integrados con módulos para inducción de sudor basada en iontoforesis, muestreo de sudor microfluídico, procesamiento de señales y calibración y comunicación inalámbrica.En voluntarios, el biosensor permitió el seguimiento en tiempo real de la ingesta de aminoácidos y sus niveles durante el ejercicio físico, así como la evaluación del riesgo de síndrome metabólico (mediante la correlación de los niveles de aminoácidos en suero y sudor).El monitoreo de metabolitos para la identificación temprana de condiciones de salud anormales podría facilitar aplicaciones en nutrición de precisión.Los nutrientes circulantes son indicadores esenciales para la salud general y la función corporal1.Los aminoácidos (AA), que provienen de la ingesta dietética y la síntesis de microbiota intestinal, y están influenciados por estilos de vida personales, son biomarcadores importantes para una serie de condiciones de salud (Fig. 1a)2.Los aminoácidos de cadena ramificada (BCAA) elevados, incluidos la leucina (Leu), la isoleucina (Ile) y la valina (Val), están asociados con la obesidad, la resistencia a la insulina y el riesgo futuro de diabetes mellitus tipo 2 (T2DM), enfermedades cardiovasculares (ECV) y cáncer de páncreas3,4,5.Las deficiencias en AA (por ejemplo, arginina y cisteína) podrían obstaculizar el sistema inmunitario al reducir la activación de las células inmunitarias6.El triptófano (Trp), la tirosina (Tyr) y la fenilalanina (Phe) son precursores de los neurotransmisores serotoninérgicos y catecolaminérgicos (dopamina, norepinefrina y epinefrina), respectivamente, y juegan un papel importante en el funcionamiento de los sistemas neuronales complejos y la salud mental7,8.Varias huellas dactilares metabólicas (incluidas Leu, Phe y vitamina D) están relacionadas con la gravedad de la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19)9,10.Las disparidades de salud en la nutrición también se correlacionan bien con las alarmantes disparidades raciales y étnicas que empeoran con la vulnerabilidad y la mortalidad por COVID-1911.Además, la disfunción de órganos y tejidos inducida por el síndrome respiratorio agudo severo coronavirus 2 podría resultar en una mayor incidencia de enfermedades cardiometabólicas12.a, Los nutrientes circulantes como los AA están asociados con varias condiciones fisiológicas y metabólicas.b, Esquema del 'NutriTrek' portátil que permite el control metabólico a través de una fusión sinérgica de LEG, RAR y anticuerpos artificiales.c, d, Esquema (c) y ensamblaje de capas (d) del parche de microfluidos 'NutriTrek' para inducción de sudor, muestreo y biodetección.T, temperatura.e,f, Imágenes de un parche sensor flexible (e) y un sistema portátil con interfaz de piel (f).Barras de escala, 5 mm (e) y 2 cm (f).g, Diagrama de bloques del sistema electrónico de 'NutriTrek'.Los módulos resaltados en guiones rojos están incluidos en la versión de reloj inteligente.CPU, unidad central de procesamiento;POT, potenciometría;In-Amp, amplificador de instrumentación;MCU, microcontrolador;TIA, amplificador de transimpedancia;IP, iontoforesis;CE, contraelectrodo;RE, electrodo de referencia;WE, electrodo de trabajo.h, aplicación móvil personalizada para seguimiento metabólico y nutricional en tiempo real.i, reloj inteligente 'NutriTrek' con un parche sensor desechable y una pantalla electroforética.Barras de escala, 1 cm (arriba) y 5 cm (abajo).El perfilado y la monitorización metabólicos son un enfoque clave para permitir la nutrición y la medicina de precisión13.Los estándares de oro actuales en evaluación médica y pruebas metabólicas se basan en gran medida en análisis de sangre que son invasivos y episódicos, que a menudo requieren visitas físicas a instalaciones médicas, procesamiento y almacenamiento de muestras que requieren mucha mano de obra e instrumentación delicada (por ejemplo, cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC –MS))14.Dado que la actual pandemia de COVID-19 sigue sin controlarse en todo el mundo, existe una necesidad apremiante de desarrollar sensores portátiles y de telemedicina para monitorear el estado de salud de una persona y permitir una intervención oportuna en entornos domésticos y comunitarios15,16,17,18, 19,20,21,22,23;También es cada vez más importante monitorear el estado de salud nutricional y cardiometabólico a largo plazo de una persona después de la recuperación de una infección grave por COVID-19 usando dispositivos portátiles para detectar signos tempranos de posibles complicaciones endocrinológicas como la DM2.El sudor es un fluido corporal importante que contiene una gran cantidad de sustancias químicas que reflejan las condiciones nutricionales y metabólicas24,25,26,27.La progresión de los análisis de sangre a los análisis de sudor portátiles podría brindar un gran potencial para el monitoreo continuo no invasivo de biomarcadores fisiológicos críticos para la salud humana28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38.Sin embargo, los sensores electroquímicos portátiles informados actualmente se centran principalmente en un número limitado de analitos, incluidos electrolitos, glucosa y lactato, debido a la falta de una estrategia adecuada de monitoreo continuo más allá de los electrodos enzimáticos y selectivos de iones o la oxidación directa de moléculas electroactivas25,26,27, 34,35,36,37,38,39,40.Por lo tanto, la mayoría de los nutrientes y metabolitos clínicamente relevantes en el sudor rara vez se exploran y son indetectables por las tecnologías de detección portátiles existentes.Además, los biosensores portátiles actuales generalmente requieren ejercicio vigoroso para acceder al sudor;aunque algunos informes recientes usan iontoforesis basada en gel de pilocarpina para el muestreo de sudor sedentario22,30,36, este enfoque adolece de períodos cortos de sudor y baja precisión de detección debido a la mezcla de sudor y gel fluido y la falta de muestreo dinámico de sudor.En este artículo, presentamos una estrategia universal de biodetección portátil basada en una combinación juiciosa de grafeno grabado con láser (LEG) producible en masa, nanoinformadores activos redox (RAR) sintetizados electroquímicamente y 'anticuerpos artificiales' basados ​​​​en polímeros impresos molecularmente (MIP). ', así como tecnologías únicas de calibración y regeneración in situ (Fig. 1b).A diferencia de los sensores de bioafinidad basados ​​en anticuerpos o MIP clásicos, que generalmente son para un solo uso y requieren múltiples pasos de lavado para transducir las interacciones de bioafinidad en soluciones iónicas estándar41,42, este enfoque permite la demostración de sensibilidad, selección y continuidad. monitoreo de una amplia gama de biomarcadores a nivel de trazas en biofluidos, incluidos los nueve AA esenciales, así como vitaminas, metabolitos y lípidos que se encuentran comúnmente en el sudor humano (Tabla complementaria 1).La perfecta integración de este enfoque único con el procesamiento de señales in situ y la comunicación inalámbrica conduce a una potente tecnología portátil de detección de sudor 'NutriTrek' que puede realizar un seguimiento metabólico y nutricional personalizado y no invasivo para una intervención oportuna (Fig. 1b).La incorporación de la inducción de sudor basada en iontoforesis de carbacol y el muestreo eficiente de sudor circundante basado en microfluidos permite un análisis molecular continuo y autónomo prolongado con alta resolución temporal y precisión en todas las actividades, durante el ejercicio físico y en reposo.Usando cinco AA esenciales o condicionalmente esenciales (es decir, Trp, Try y tres BCAA (Leu, Ile y Val)) como nutrientes ejemplares, corroboramos el sistema en varios ensayos en humanos al inscribir tanto a sujetos sanos como a pacientes en el monitoreo personalizado de la fatiga central. , ingestas dietéticas estándar, estado nutricional, riesgos de síndrome metabólico y gravedad de COVID-19.El parche sensor desechable y flexible consta de dos electrodos de iontoforesis cargados con carbacol, un módulo de microfluidos de entrada múltiple, una matriz de sensores de nutrientes MIP multiplexada, un sensor de temperatura y un sensor de electrolitos (Fig. 1c-f y Fig. 1 complementaria).Todos los diseños de sensores y electrodos flexibles se basan en LEG, que tiene una gran superficie, tiene excelentes propiedades electroquímicas y se puede producir a gran escala directamente sobre un sustrato de poliimida (PI) mediante grabado con láser de CO2 (Figura complementaria 2).El parche sensor puede adherirse fácilmente a la piel con contacto conformado e interfaces con un módulo electrónico miniaturizado para control de iontoforesis bajo demanda, procesamiento de señales in situ y comunicación inalámbrica con las interfaces de usuario a través de Bluetooth (Fig. 1g y Figs. 3 y 4 complementarias). ).Se desarrolló una aplicación móvil personalizada 'NutriTrek' para procesar, mostrar y almacenar la información metabólica dinámica monitoreada por los sensores portátiles (Fig. 1h y Video complementario 1).El sistema portátil también se integró en un reloj inteligente con una pantalla de papel electrónico (Fig. 1i y Fig. 5 complementaria).La detección universal de AA y otros metabolitos/nutrientes con alta sensibilidad y selectividad se logró mediante un diseño cuidadoso de la capa MIP de unión selectiva en la LEG.Los MIP son receptores sintetizados químicamente formados mediante la polimerización de monómeros funcionales con moléculas molde.Aunque la tecnología MIP se ha propuesto para detección, separación y diagnóstico42,43, aún no se ha demostrado para la detección portátil continua, ya que los sensores MIP clásicos requieren pasos de lavado para la regeneración del sensor y la detección generalmente se realiza en soluciones redox o tampón estándar.En nuestro caso, el monómero funcional (por ejemplo, pirrol) y el reticulante (por ejemplo, APBA) forman inicialmente un complejo con la molécula diana;después de la polimerización, sus grupos funcionales se incrustan en la estructura polimérica de la PIERNA;la extracción posterior de las moléculas objetivo revela sitios de unión en el electrodo LEG-MIP que son complementarios en tamaño, forma y carga al analito objetivo (Fig. 6 complementaria).Se diseñan dos estrategias de detección, directa e indirecta, sobre la base de las propiedades electroquímicas de las moléculas objetivo (Fig. 2).Las optimizaciones y caracterizaciones de los sensores LEG-MIP se detallan en la Nota complementaria 1 y las Figs. complementarias.7–13.a, Detección directa de moléculas electroactivas utilizando sensores LEG-MIP.b,c, voltamogramas DPV de los sensores LEG-MIP para la detección directa de Tyr (b) y Trp (c).Inserciones, gráficos de calibración con un ajuste lineal.∆J, densidad de corriente de altura máxima.d, Detección continua in situ y regeneración de un sensor LEG-MIP Trp en 50 µM Trp.e, Detección molecular indirecta usando sensores LEG-RAR-MIP.f, voltamogramas LSV de detección indirecta de Leu con sensores LEG-PBNP-MIP.Recuadro, gráfico de calibración con un ajuste lineal.g,h, Detección indirecta de todos los AA esenciales (g) y múltiples vitaminas, lípidos y metabolitos (h) usando sensores LEG–PBNP–MIP.Las líneas discontinuas representan líneas de tendencia de ajuste lineal.CV, vitamina C;VB6, vitamina B6;VD3, vitamina D3;VE, vitamina E. i, Esquema de sensores multi-MIP AA.j, voltamogramas LSV de un sensor multi-MIP LEG para la cuantificación de BCAA.Recuadro, gráfico de calibración con un ajuste lineal.k, Detección continua in situ y regeneración de un sensor LEG–PBNP–MIP Leu en 50 µM Leu.l, Exploraciones CV repetitivas de un electrodo LEG-PBNP en KCl 0,1 M.m, Voltamogramas DPV de detección Leu indirecta con sensores LEG–AQCA–MIP.Recuadro, la gráfica de calibración.n, Regeneración in situ de un sensor LEG–AQCA–MIP Leu en una muestra de sudor sin tratar.o, Selectividad de los sensores Trp, Tyr, Leu, Ile, Val y BCAA frente a otros AA.p, Validación de sensores Tyr, Trp y Leu para analizar muestras de sudor de ejercicio sin procesar (n = 20) contra GC-MS.Todas las barras de error representan la desviación estándar (sd) de tres sensores.Para las moléculas electroactivas en el sudor, la oxidación de las moléculas objetivo unidas en la plantilla MIP se puede medir directamente mediante voltametría de pulso diferencial (DPV) en la que la altura de la corriente máxima se correlaciona con la concentración del analito (Fig. 2a).Teniendo en cuenta que múltiples moléculas electroactivas se pueden oxidar a potenciales similares, este enfoque LEG-MIP aborda los problemas de sensibilidad y selectividad.Por ejemplo, Tyr y Trp, dos AA con potenciales redox cercanos (~ 0.7 V), podrían detectarse selectivamente con esta estrategia (Fig. 2b, c y Fig. 14 complementaria).Se observaron relaciones lineales entre las densidades de corriente de altura máxima y las concentraciones objetivo con sensibilidades de 0,63 µA µM−1 cm−2 y 0,71 µA µM−1 cm−2 respectivamente para los sensores LEG–MIP Tyr y Trp (Figura complementaria 15).Vale la pena señalar que las elecciones de proporciones de monómero/entrecruzador/plantilla y los períodos de incubación tienen influencias sustanciales en la respuesta del sensor, mientras que el volumen de la muestra no lo hace (Fig. 10 complementaria).Los sensores Tyr y Trp se pueden regenerar in situ de manera fácil y repetible sin ningún paso de lavado con una corriente-tiempo (IT) de amperometría de alto voltaje que oxida los objetivos unidos en sus potenciales redox (Fig. 2d).Como la mayoría de los metabolitos y nutrientes (por ejemplo, los BCAA) no son electroactivos y no se pueden oxidar fácilmente en condiciones operativas, aquí utilizamos un enfoque de detección indirecta que involucra una capa RAR intercalada entre las capas LEG y MIP para permitir una cuantificación rápida (Fig. 2e).La adsorción selectiva de las moléculas diana sobre la capa polimérica impresa disminuye la exposición del RAR a la matriz de la muestra.Se pueden aplicar técnicas voltamétricas de potencial controlado como DPV o voltametría de barrido lineal (LSV) para medir el pico de oxidación o reducción de RAR, donde la disminución en la densidad de corriente de la altura del pico corresponde a un aumento en los niveles de analito.Por ejemplo, usando nanopartículas de azul de Prusia (PBNP) como RAR (Fig. 11 complementaria), desarrollamos un sensor MIP-LEG Leu con una relación logarítmica lineal entre la disminución de la altura máxima y la concentración de Leu y una sensibilidad de 702 nA mm− 2 por década de concentración (Fig. 2f).Establecimos este enfoque para cuantificar el rango fisiológicamente relevante de los nueve AA esenciales (es decir, Leu, Ile, Val, Trp, Phe, histidina (His), lisina (Lys), metionina (Met) y treonina (Thr)) ( Fig. 2g y Fig. 16 complementaria), así como una serie de vitaminas, metabolitos y lípidos (vitaminas B6, C, D3 y E, glucosa, ácido úrico, creatina, creatinina y colesterol) (Fig. 2h y Fig. 17 complementaria ).Además de estos nutrientes y metabolitos, este enfoque se puede reconfigurar fácilmente para permitir el seguimiento de un amplio espectro de biomarcadores que van desde hormonas (por ejemplo, cortisol) hasta fármacos (por ejemplo, el fármaco inmunosupresor ácido micofenólico) (Fig. 18 y Cuadros complementarios 2 y 3).La mayoría de estos objetivos son indetectables continuamente por cualquier tecnología portátil existente.Teniendo en cuenta que un nivel total de múltiples nutrientes (por ejemplo, BCAA totales) suele ser un indicador de salud importante, se puede usar un enfoque MIP de múltiples plantillas para permitir la detección precisa y sensible de la concentración total de múltiples objetivos con un solo sensor (Fig. .2i, j).Estos sensores LEG-RAR-MIP indirectos se pueden regenerar in situ aplicando un potencial constante al electrodo de trabajo, que repele las moléculas objetivo unidas de la capa MIP, logrando una reutilización prolongada (Fig. 2k).Los sensores LEG-MIP muestran respuestas estables durante el uso repetible: el RAR basado en PBNP mostró señales redox estables a lo largo de 60 escaneos repetitivos de voltamperometría cíclica (CV) (Fig. 2l y Fig. 11 complementaria);se observaron cambios mínimos en la producción durante un período de almacenamiento de 42 días (Figura complementaria 19a, b);los sensores tampoco mostraron un cambio de señal relativo sustancial cuando se usaron continuamente durante 5 días (Fig. 19c complementaria).En comparación con los procesos tradicionales de preparación de MIP, la capa de MIP electrodepositada en la LEG producible en masa conduce a una alta reproducibilidad en selectividad, sensibilidad y consistencia de dispositivo a dispositivo (Figuras complementarias 20 y 21).La elección de LEG como sustrato de deposición MIP también mostró ventajas en la sensibilidad del sensor en comparación con los electrodos clásicos como el electrodo de carbón vítreo, el electrodo de carbón impreso y el electrodo de Au (Fig. 22 complementaria).Otros RAR, como el ácido antraquinona-2-carboxílico (AQCA), también se pueden usar para la detección indirecta de AA con un rendimiento estable (aquí se usó DPV escaneado negativamente para monitorear la reducción de AQCA) (Fig. 2m y Fig. 23 complementaria).Como se ilustra en la Fig. 2n, los sensores LEG–AQCA–MIP podrían regenerarse directamente en una muestra de sudor humano sin procesar, resolviendo un cuello de botella principal de la biodetección portátil.Los sensores MIP-LEG AA tienen una excelente selectividad para otros analitos en el sudor (incluidos los AA con estructuras similares) en concentraciones fisiológicamente relevantes (Fig. 2o, Fig. 24 complementaria y Tabla complementaria 3).La tecnología LEG-MIP mostró una sensibilidad comparable con la actual GC-MS44 basada en laboratorio estándar de oro (Fig. 25 complementaria);las mediciones del sensor en muestras de sudor humano sin procesar se validaron contra GC-MS (Fig. 2p y Figs. 26 y 27 complementarias).Para permitir el monitoreo metabólico y nutricional continuo en el cuerpo, el parche del sensor flexible se diseñó para comprender un módulo de iontoforesis para la inducción de sudor localizada bajo demanda, un módulo de microfluidos de entrada múltiple para un muestreo de sudor eficiente, una matriz de sensores de nutrientes de sudor LEG-MIP multiplex para el análisis continuo de AA, y sensores de temperatura y electrolitos basados ​​en LEG para la calibración del sensor de AA en tiempo real (Fig. 3a).A diferencia de la detección clásica del sensor de bioafinidad en soluciones tampón o redox, el análisis del sudor in situ plantea más desafíos debido a la composición compleja y variada del sudor y exige innovaciones tecnológicas para una detección corporal precisa.Por ejemplo, para la detección directa de PIERNA-MIP Trp, una exploración DPV en el sudor incluso antes del reconocimiento del objetivo/MIP podría conducir a un pico de oxidación ya que una pequeña cantidad de moléculas electroactivas (por ejemplo, Trp y Tyr) pueden oxidarse en la superficie de capa MIP;después del reconocimiento y unión de Trp en las cavidades de MIP, se puede obtener una altura de pico de corriente sustancialmente mayor;la diferencia de medición de las alturas de los dos picos permite una medición más precisa del Trp unido directamente en el sudor con alta selectividad (Fig. 3b-d).La influencia de la temperatura y la fuerza iónica en los sensores AA se puede calibrar en tiempo real sobre la base de las lecturas de un sensor de temperatura resistente a la deformación basado en LEG y un sensor de Na+ selectivo de iones (Fig. 3e y Fig. 28 complementaria) .Teniendo en cuenta que se informó que la tasa de sudoración durante el ejercicio influye en ciertos niveles de biomarcadores, podríamos usar el nivel de Na+ en el sudor (que mostró una correlación lineal con la tasa de sudoración) para calibrar aún más los niveles de nutrientes para un análisis personalizado.Esta estrategia de transducción única que involucra tanto los escaneos DPV de dos pasos como las calibraciones de temperatura/electrolito nos permite obtener lecturas precisas continuamente en el sudor durante el uso en el cuerpo (Figura complementaria 29).a, Ilustración de un parche de sensor portátil multifuncional.ISE, electrodo selectivo de iones.b–d, la estrategia de calibración del sensor de dos escaneos que permite la detección selectiva de Trp in situ en presencia de Tyr.∆I, corriente de altura máxima;∆I′, diferencia de altura máxima provocada por el reconocimiento del objetivo.Las curvas sólidas y discontinuas en c y d representan líneas de tendencia de ajuste lineal.e, Calibración de electrolitos de la lectura del sensor AA, con un ajuste lineal.f, Esquema de muestreo de sudor localizado basado en extracción iontoforética de sudor con agentes muscarínicos: pilocarpina y carbacol.g,h, tasas de sudoración localizadas medidas en las áreas de la piel estimuladas (g) y circundantes (h) después de una iontoforesis de 5 min con pilocarpina y carbacol.Las curvas continuas y discontinuas representan líneas de tendencia de ajuste cuadrático.S, sujeto.i, Distribuciones de concentración de Trp simuladas numéricamente ([Trp]) en el reservorio de microfluidos a los 120 s después de que el fluido de entrada cambió de 20 a 80 µM Trp (tasa de flujo de 1,5 µl min−1) (con diseños variados en número de entrada, amplitud de ángulo, y orientación de entrada y salida).j, Evaluación en el cuerpo del parche microfluídico flexible optimizado para una inducción de sudor iontoforético basada en carbacol eficiente y muestreo circundante en reposo.Las marcas de tiempo representan el período (min) después de una sesión de iontoforesis de 5 minutos.Se usó tinte negro en el depósito para facilitar la visualización directa del flujo de sudor en los microfluidos.Barra de escala, 3 mm.Para hacer que esta tecnología portátil sea ampliamente aplicable, en particular para las personas sedentarias, aquí utilizamos un módulo de iontoforesis diseñado a medida que consiste en el ánodo y el cátodo LEG junto con hidrogeles que contienen el agente muscarínico carbacol (carbagel) para la extracción sostenible del sudor.El carbachol se seleccionó entre varios agentes muscarínicos, ya que permite la secreción de sudor más eficiente, repetible y duradera de la glándula sudorípara circundante debido a sus efectos nicotínicos adicionales45 (Fig. 3f-h, Fig. 30 complementaria y Nota complementaria 2).Por el contrario, el agente inductor de sudor clásico, la pilocarpina, utilizado por la prueba de sudor estándar y los sistemas portátiles informados anteriormente22,30,36 ofrece solo un período corto de sudor y una tasa de sudoración muy limitada de las glándulas sudoríparas vecinas (Fig. 3f-h ).Además, el muestreo de la mezcla del sudor filtrado debajo del gel de pilocarpina y el fluido del gel podría generar errores sustanciales en el sensor portátil y no proporcionar información en tiempo real debido a la ausencia de una renovación eficaz del sudor.Se utiliza una corriente muy pequeña (50–100 µA) para nuestro módulo de iontoforesis, en comparación con 1–1,5 mA comúnmente utilizado (refs. 22, 30, 36), lo que reduce en gran medida el riesgo de irritación de la piel.Para maximizar la eficiencia del muestreo de sudor de bajo volumen y mejorar la resolución temporal de la detección portátil, se diseñó cuidadosamente un módulo de microfluidos compacto y flexible para aislar las áreas de muestreo de sudor de los geles de iontoforesis.Se realizaron simulaciones numéricas para optimizar el diseño geométrico del módulo de microfluidos, incluido el número de entrada, la amplitud del ángulo, la orientación y la dirección del flujo con respecto a la geometría del reservorio (Fig. 3i, Nota complementaria 3, Figuras complementarias 31 y 32, Video complementario 2 y Tabla Suplementaria 4).Con el diseño optimizado para la inducción y el muestreo de sudor, el sudor se puede inducir convenientemente de forma local y muestrear fácilmente con microfluidos de entrada múltiple durante un período prolongado (Fig. 3g, j, Fig. 33 complementaria y Video complementario 3).A tasas de sudoración fisiológica que oscilan entre 0,15 µl min−1 y 3 µl min−1, nuestro parche sensor portátil podría proporcionar un análisis fiable y preciso de los cambios dinámicos de los niveles de AA (Figuras complementarias 34 y 35).La evaluación del sistema portátil se realizó primero a través de la detección de Trp y Tyr del sudor en sujetos humanos durante una prueba de ejercicio de ciclismo de carga constante (Fig. 4a-d y Fig. 36 complementaria).Los datos DPV de los sensores se transmitieron de forma inalámbrica junto con las lecturas del sensor de temperatura y Na+ a la aplicación móvil que extrajo automáticamente los picos de oxidación mediante un algoritmo de corrección de línea de base iterativo desarrollado a medida (Fig. 4e y Fig. 37 complementaria) y realizó la calibración para el cuantificación precisa de sudor Tyr y Trp.Teniendo en cuenta que los AA (por ejemplo, Try y BCAA) desempeñan un papel crucial en la fatiga central durante el ejercicio físico46, se utilizó un conjunto de sensores Trp y BCAA flexibles para monitorear la dinámica de AA durante el ejercicio vigoroso (Fig. 4f-j y Fig. 38 complementaria). ).Los niveles de Trp y BCAA disminuyeron durante el ejercicio debido a la síntesis de serotonina y la ingesta de BCAA, respectivamente.Se observó un aumento en la proporción de Trp a BCAA en sudor, lo que podría servir potencialmente como un indicador de fatiga central, de acuerdo con un informe anterior sobre su contraparte en plasma46.a-d, análisis continuo de Trp y Tyr en el cuerpo utilizando una matriz de sensores portátiles con calibraciones de sensores en tiempo real durante el ejercicio de ciclismo.e, Análisis de voltamograma personalizado con una estrategia de extracción automática de picos basada en un procedimiento de corte y ajuste polinomial.f–j, Análisis dinámico de Trp en sudor y BCAA durante el ejercicio físico para el control de la fatiga central.Las líneas discontinuas en h–j representan líneas de tendencia de ajuste cuadrático.k–o, Análisis dinámico de los niveles de AA en el sudor con y sin ingesta de suplementos de Trp y Tyr en reposo para un seguimiento nutricional personalizado.El parche integrado de iontoforesis portátil permite la monitorización diaria continua de AA en reposo más allá del ejercicio físico.Como se ilustra en la Fig. 4k–o y las Figs. complementarias.39–42, se observaron niveles crecientes de Trp y Tyr en el sudor de los cuatro sujetos después de la ingesta de suplementos de Trp y Tyr, mientras que las lecturas de los sensores permanecieron estables durante los estudios sin ingesta.Tal capacidad abre la puerta para el control y la gestión nutricional personalizados a través de una intervención dietética personalizada guiada por sensores.Cabe señalar que nuestro estudio piloto mostró que los niveles de nutrientes y electrolitos en el sudor eran independientes de los cambios en la tasa de sudor durante el sudor inducido por iontoforesis basada en carbacol (Figura complementaria 43).El síndrome metabólico, caracterizado por obesidad abdominal y resistencia a la insulina, se está convirtiendo en la principal causa de morbilidad y mortalidad y afecta a más de un tercio de todos los adultos en los Estados Unidos47.Los niveles elevados de BCAA circulantes predicen la obesidad resistente a la insulina y el síndrome metabólico, y están relacionados con las ECV y la DM2 (Fig. 5a y Nota complementaria 4)3,4, lo que podría conducir a posibles complicaciones de la COVID-19 grave (ref. 12). ).Estudios recientes han demostrado el uso potencial de la suplementación con BCAA como una intervención dietética para mejorar la resistencia a la insulina48.El seguimiento de los cambios en los niveles de nutrientes esenciales proporciona una detección temprana muy sensible de los riesgos del síndrome metabólico, lo que permite una intervención dietética personalizada eficaz (Fig. 5b).Para explorar el uso de los BCAA del sudor como factor de riesgo no invasivo del síndrome metabólico, realizamos un estudio piloto para investigar las correlaciones entre los BCAA del suero y del sudor en tres grupos de sujetos: peso normal (I, n = 10), sobrepeso/ obesidad (II, n = 7) y obesidad con DM2 (III, n = 3) (Fig. 5c, d).Se observaron coeficientes de correlación de Pearson positivos de 0,66 (n = 65) y 0,69 (n = 65) entre los niveles de suero y sudor (todos analizados por los sensores) de Leu y BCAA totales, respectivamente (Fig. 5c).En comparación con los participantes sanos en el grupo I, se observaron niveles sustancialmente elevados de Leu en suero y sudor (analizados por los sensores) en los grupos II y III (Fig. 5d), de acuerdo con informes anteriores de que se identificaron niveles de BCAA circulantes más altos en personas con obesidad y T2DM3.Teniendo en cuenta el papel bien establecido de los BCAA en la producción de insulina y la inhibición de la glucogenólisis, también investigamos la respuesta posprandial del sudor Leu/BCAA y la glucosa en sangre/insulina después del suplemento de BCAA y la ingesta dietética en sujetos sanos (Fig. 5e, f) .Todos los biomarcadores permanecieron estables durante el período de ayuno;La ingesta de proteínas en la dieta resultó en aumentos tanto de la glucosa como de la insulina en la sangre, mientras que la ingesta de BCAA solo condujo a un rápido aumento de la insulina.En ambos estudios, el Leu del sudor y los BCAA aumentaron primero en los 30 a 60 minutos y luego disminuyeron.Para sujetos con diferentes condiciones metabólicas, los niveles de Leu en el sudor iontoforético después de BCAA varían de manera diferente: aunque se observó un aumento sustancial en los niveles de Leu en el sudor en todos los casos, los sujetos sanos mostraron una fluctuación porcentual drástica y los individuos con obesidad/DM2 mostraron una fluctuación brusca que puede indicar la diferente etapa metabólica de BCAA en esos individuos (Fig. 5g).a, Niveles elevados de BCAA identificados en personas con obesidad y/o DM2.b, Las estrechas asociaciones entre el metabolismo de los BCAA y la respuesta de la insulina en grupos sanos y con obesidad/T2DM.c, Correlación de los niveles totales de BCAA y Leu en suero y sudor obtenidos con los sensores LEG-MIP (n = 65).Las líneas discontinuas representan líneas de tendencia de ajuste lineal.d, Diagrama de caja y bigotes de los niveles de Leu medidos en sudor y suero extraídos por iontoforesis en tres grupos de participantes: peso normal (grupo I, n = 10), sobrepeso u obesidad (grupo II, n = 7) y obesidad con T2DM (grupo III, n = 3), el bigote inferior representa el mínimo, el bigote superior representa el máximo y el cuadrado en el cuadro representa la media.e,f, Cambios dinámicos de los niveles de Leu en sudor y BCAA totales, insulina sérica (Ins) y glucosa en sangre (BG) de dos sujetos sanos con ingestas de 5 g de BCAA (e) y una dieta estándar de proteínas (f).g, dinámica de Sweat Leu recopilada de los grupos I-III después de la ingesta de 5 g de BCAA.Recuadro, proporción del nivel de Leu a los 50 min después de la ingesta de BCAA y el nivel antes de la ingesta.h, Evaluación de Leu como huella digital metabólica para la gravedad de COVID-19 en muestras de suero de sujetos negativos para COVID-19 (n = 8) y pacientes positivos para COVID-19 (n = 8).Las barras de error representan la sd de tres mediciones.Teniendo en cuenta que se ha informado que el nivel elevado de Leu circulante es una huella digital metabólica clave para la gravedad de la COVID-19, también evaluamos nuestros biosensores para analizar las muestras de pacientes con COVID-19 e individuos sanos;Se identificaron niveles de Leu sustancialmente elevados en muestras positivas para COVID-19 en comparación con las negativas (415,6 ± 133,7 versus 151,5 ± 36,0 µM), lo que indica el gran potencial de nuestros biosensores para el control y manejo de COVID-19 en el hogar (Fig. 5h ).Los biomarcadores metabólicos circulantes, como los AA y las vitaminas, se han asociado con diversas afecciones de salud, incluidas la diabetes y las enfermedades cardiovasculares.La elaboración de perfiles metabólicos con sensores portátiles se ha vuelto cada vez más crucial en la nutrición y la medicina de precisión, especialmente en la era de la pandemia de COVID-19, ya que proporciona no solo información sobre la gravedad de COVID-19, sino también orientación para mantenerse metabólicamente saludable y minimizar el riesgo de posible infección por COVID-19.Dado que la pandemia continúa desenfrenada en todo el mundo y los servicios médicos regulares corren el riesgo de escasez, existe una necesidad urgente de desarrollar y aplicar sensores portátiles que puedan monitorear las condiciones de salud a través de perfiles metabólicos para lograr un diagnóstico en el hogar y una intervención oportuna a través de la telemedicina.Sin embargo, los sensores electroquímicos portátiles actuales están limitados a una gama estrecha de objetivos de detección debido a la falta de estrategias de detección continua más allá de los electrodos enzimáticos y selectivos de iones.Aunque se han desarrollado varios sensores basados ​​en bioafinidad para detectar un espectro más amplio de objetivos mediante anticuerpos o MIP, generalmente requieren varios pasos de lavado o solo se usan una vez;estas limitaciones han obstaculizado su usabilidad en dispositivos portátiles.Además, la mayoría de los biosensores portátiles dependen del ejercicio vigoroso para acceder al sudor y no son adecuados para el uso continuo diario.Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de investigación de Nature vinculado a este artículo.Mermelada.Dieta.Asoc.Nat.Rev. Endocrinol.Nat.Medicina.Nat.Medicina.J. Nutr.N. ingl.J.Med.Nat.Rev. Endocrinol.Nat.Rev. Descubrimiento de Drogas.químicaN. ingl.J.Med.Nat.Electrón.Nat.biomedicinaIng.proc.Academia Nacional.cienciacienciaAdv.Nat.biomedicinaIng.Nat.Biotecnología.Nat.Electrón.químicaSoc.Nat.Biotecnología.Conjuntos de sensores portátiles completamente integrados para el análisis de transpiración in situ multiplexado.Naturaleza 529, 509–514 (2016).cienciaAdv.proc.Academia Nacional.cienciacienciaTraducirMedicina.cienciaTraducirMedicina.Lee, H. et al.Un dispositivo electroquímico a base de grafeno con microagujas termosensibles para el control y la terapia de la diabetes.Nat.Nanotecnología.11, 566–572 (2016).Lee, H. et al.cienciaAdv.Kim, J. et al.Kim, J. et al.Adv.cienciaNat.Biotecnología.Yu, Y. et al.cienciaBiosens.Bioelectrón.Biosens.Bioelectrón.cienciaAdv.Nerv.sist.J. Nutr.Lancet Diabetes Endocrinol.J. Nutr.J. Pharm.biomedicinaLos autores declaran no tener conflictos de intereses.Springer Nature o su licenciatario tienen derechos exclusivos sobre este artículo en virtud de un acuerdo de publicación con el autor o los autores u otros titulares de derechos;Nat.biomedicinaCualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt