可穿戴传感器是医疗健康领域的一种新兴模式，能够实现健康和疾病的持续、去中心化、非侵入性或最小侵入性的监测。持续的测量提供了丰富的时间序列生理数据，这些数据既全面又具有临床意义。尽管大多数可穿戴传感器最初仅限于生物物理测量，但下一代可穿戴设备正在出现，它们能够在各种体液中进行小分子和大分子的生化监测，如汗液、呼吸、唾液、泪液和间质液。随着人工智能在数据分析和决策技术方面的快速发展，可穿戴设备的应用在全球范围内得到了加速。尽管最近的试点试验已经证明了这些可穿戴设备的临床应用性，但它们的广泛普及仍需要在多种条件下进行大规模验证，并考虑伦理问题和社会文化的接受度。从实验室原型到临床工具的成功转化，还需要一个全面的过渡环境，涉及所有利益相关方。可穿戴设备平台必须在不同用户群体中获得认可，为各种医学适应症提供临床价值，符合报销要求，并有助于公共卫生倡议。2024年12月4日，瑞士苏黎世联邦理工学院Noé Brasier、加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang、加州理工学院高伟、西北大学John A. Rogers等在Nature期刊上发表了题为“Applied body-fluid analysis by wearable devices”的最新论文。Noé Brasier为文章第一作者及通讯作者。在这篇观点文章中，回顾了最先进的可穿戴体液分析设备及其向临床应用的转化，并深入探讨了它们的临床目的。 本文亮点
可穿戴传感器作为医疗健康领域的最新模式，得到了广泛关注。它们能够提供持续、去中心化、非侵入性或最小侵入性的健康监测，尤其在生物物理和生物化学数据的实时采集方面展现出巨大的潜力。
当前可穿戴设备的主要应用集中在生理数据监测上，但下一代设备正朝着可以监测体液中小分子和大分子的生化标志物方向发展，包括汗液、呼吸、唾液、泪液和间质液。快速发展的人工智能技术使得数据分析和决策支持更加精准，从而加速了全球范围内可穿戴设备的应用。
尽管最近的试点研究已验证了可穿戴设备的临床可行性，然而其广泛应用仍面临挑战，包括在多种临床情境下的大规模验证、伦理问题的考虑以及社会文化的接受度等。
要实现从实验室原型到临床工具的成功转化，必须在包括患者、医生、监管机构和开发者等在内的所有利益相关者的共同参与下建立全面的过渡环境。此外，设备平台还需获得不同用户群体的接受，为临床提供实质性价值，并满足报销等政策需求。
图文解读
图1: 体液分析的可穿戴传感平台。a. 汗液感测的电子皮肤，能够进行多模态感测，包括生化汗液分析（例如Na+、NH4+、K+、乳酸、葡萄糖和尿酸）以及生物物理测量（例如温度、脉搏和皮肤电反应（GSR））。比例尺，1厘米。b. 用于组织间液（ISF）感测的微针基础设备，带有一次性传感器和可重复使用的电子设备，允许监测葡萄糖、乳酸和酒精。用户智能手机上显示的感测结果。比例尺，1.5厘米。c. 用于呼吸感测的CRISPR基础侧流层析（LFA）平台以及纸基样本制备单元，嵌入到口罩中，实现SARS-CoV-2基因的直接检测。
图2：展示了不同人生阶段针对各种体液的可穿戴感测设备。每个生命周期都伴随着不同的挑战和需求。例如，婴幼儿可能需要含在口中的传感器（如血糖、电解质、激素），成年人可能使用戒指（如雌激素），老年人可能使用助听器（如胆固醇；可以与眼内压测量结合）。图3: 数字终端的发展。a. 展示了微流控在传感器中的功能，包括分析物预处理、通过测量微流控通道两端的电阻（R）或温度（T）差异来分析液体、控制以及微流控重置或传感器再生。b. 展示了液体处理力，包括毛细管压力、自然压力、外部机械压力和内部负压或正压。c. 展示了被动微阀，包括毛细管爆裂阀、疏水阀、响应性水凝胶阀和超强吸水性聚合物阀。
图4: 在临床医学中，可穿戴设备的应用体液分析。a. 一个示例应用是监测抗生素治疗以管理细菌感染。到目前为止，评估细菌感染以识别潜在的病原体、评估炎症状态和监测药物浓度主要在专业实验室中通过耗时且昂贵的程序来完成。将这些测试集成到可连接的、基于智能手机的分析中，可以实现在医院和门诊设置中无缝且以患者为中心的健康监测。b. 另一个示例应用是促进在资源匮乏地区获得复杂诊断的机会。通过选择相应的生物传感器和体液，可穿戴设备体液分析可以用于识别和监测下呼吸道感染、导致皮疹的疾病、眼部疾病以及代谢紊乱，无论是在海上还是陆地上。
结论展望
可穿戴设备提供了非侵入性或最小侵入性的连续、独立于实验室且精准的体液分子分析。设备与平板电脑、软件及人工智能算法的连接，使得健康和疾病的数据分析、解读与预测能够立即进行，且不依赖于医疗机构或专业医护人员。通过将分子分析与生物物理测量（如心率）相结合，可全面理解这些测量结果在整体健康中的意义，并极有可能为临床提供更多价值。尽管体液分析的可穿戴设备已经取得显著进展，但仍存在若干挑战，主要集中在设备本身、技术转化及临床应用等方面。挑战
- 材料与制造：确保材料的适应性、灵活性与导电性仍然是挑战。
- 生物传感器的稳定性：设备在长期使用和存储中的稳定性需要解决。
- 与生理条件的兼容性：传感器需要适应不同的解剖结构与生理条件。
- 佩戴者的接受度：用户接受度与舒适性是推广的重要因素。
- 电源问题：尤其是在远程监测中，自主供电至关重要。现有的充电锂电池应用广泛，但自供电设备（如利用摩擦电纳米发电机、太阳能电池等）更具潜力。例如，一项涉及钙钛矿太阳能电池为汗液传感器供电的研究展示了超过12小时的工作时间，但自供电设备的工作时间需至少达到24小时甚至更长，以确保其临床应用的可行性。
数据可重复性：由于传感器技术和生理学理解的局限，数据的可重复性可能受到影响。需要在不同环境中进行大量测试，包括评估不同pH值下的传感器准确性及大规模的目标人群研究。临床价值的证明：必须证明各方利益相关者（如患者、医生、医保支付者）从中获得的好处，才能克服实施中的难题。需要理解患者、护理提供者、公共卫生挑战以及监管障碍，尤其是如何通过大规模临床验证研究解决这些问题。 误诊率问题：高误诊率可能导致不必要的医疗检查和经济负担。确保测试的准确性将是说服医疗提供者和医保支付者支持这些设备的关键。大数据的临床应用：尽管可穿戴设备能提供大量数据，但并非数据越多就意味着更好的临床结果。必须根据疾病和治疗的动态设定合理的采样频率，并确保患者能接受且资源可持续。数据安全与互操作性：确保数据分析、交换和存储的安全性，特别是数据互操作性，是成功实施的关键。大量可穿戴设备已被开发，用于非侵入性或最小侵入性的体液分析，能够实现远程精准的生化监测，为下一代数字生物标志物的应用奠定基础。体液分析的可穿戴设备不仅促进了远程分子监测的可及性，还能提供可能扩展我们对健康与疾病理解的生物标志物。体液分析的可穿戴设备代表了远程医疗监测的下一个范式转变。原文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08249-4
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