Нательный сенсор измеряет уровень гормонов стресса в поту

Стресс — это реакция человека на угрозы или вызовы, запускающая гормональные и нейронные каскады, которые мобилизуют ресурсы, подавляя при этом несущественные функции. Его разделяют на эустресс (положительный стресс) и дистресс (отрицательный стресс), в первом случае стресс повышает производительность и концентрацию, а во втором — ухудшает когнитивное и эмоциональное благополучие. Длительный или хронический стресс связан с серьезными последствиями для здоровья, включая психические расстройства, ослабление иммунитета и сердечно-сосудистые заболевания. Есть необходимость в улучшении подходов к оценке и лечению проблем со здоровьем, связанных со стрессом.

Для определения уровня стресса исследователи обычно полагаются на опросники, несмотря на их субъективность. Более объективный метод — измерение уровня кортизола, гормона стресса. Однако только его уровень не позволяет различить эустресс и дистресс. Более точно о стрессе можно судить, имея также данные об уровнях эпинефрина и норэпинефрина. Кроме того, уровни гормонов обычно измеряют по крови, забор которой сам по себе может быть источником стресса. Альтернативный вариант — нательные сенсоры, которые пока что тоже способны только определять уровень кортизола в поту, так как концентрации эпинефрина и норэпинефрина в нем малы. Группа ученых из Южной Кореи и США представила нательный сенсор Stressomic, который способен измерять уровень не только кортизола, но и эпинефрина и норэпинефрина в поту.

Сенсор Stressomic представляет собой устройство, состоящее из нескольких модулей. Автономный модуль ионофореза c карбахоловыми гидрогелями способствует выделению пота, а микрофлюидный модуль забирает пот в камеры, где происходит детекция гормонов. Всего в сенсоре пять камер детекции. В них находятся графеновые электроды с нанесенными на них золотыми нанодендритами, к которым через белки A и G прикреплены антитела к кортизолу, эпинефрину и норэпинефрину. Анализ осуществляется конкурентным методом: в реакционной смеси также содержатся антигены, меченые метиленовым синим, которые конкурируют за связывание антител с гормонами из образца пота. Сенсор также содержит модули, определяющие ионную силу раствора, pH и температуру — эти данные впоследствии могут использоваться для калибровки сигнала.

Предел детекции кортизола составил 2,70 нг/мл, эпинефрина — 2,73 пг/мл, норэпинефрина — 9,14 пг/мл, что говорит о высокой чувствительности прибора. Для проведения реакции детекции требуются образцы пота объемом больше 5 мкл, при этом время инкубации составляет 10 мин. Предварительные тесты показали, что Stressomic может забирать образцы пота каждые 6 мин (скорость тока жидкости при этом составляет 1,5 мкл/мин). Детекция необязательно начинается сразу: она может начаться, когда все камеры прибора уже заполнены. Считать сигнал для дальнейшего анализа также можно спустя некоторое время.

Работу сенсора проверили на здоровых добровольцах. В одном из экспериментов измеряли уровень физического стресса после высокоинтенсивной интервальной тренировки на велотренажере. За первые 10 мин такой тренировки у участников возрастал уровень кортизола, что указало на острый стресс, но спустя 40 мин он возвращался в норму. Уровень эпинефрина оставался стабильно низким, а уровень норэпинефрина умеренно повышался, причем этот показатель сильно варьировал у участников.

В другом эксперименте оценивался психологический стресс, который пациенты испытывали при просмотре неприятных изображений из базы данных International Affective Picture System (IAPS). Уровень кортизола при этом незначительно повышался в первые 10 мин и стабилизировался за оставшиеся 40 мин, а уровень эпинефрина не менялся. Уровень норэпинефрина, напротив, постоянно повышался, что может указывать на реакцию на психологические стимулы.

В еще одном эксперименте исследователи оценили, позволяет ли избавиться от стресса БАД, содержащая таурин, гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), теанин и магний. После приема БАД уровень кортизола у участников снижался, уровень эпинефрина оставался стабильным, а уровень норэпинефрина снижался незначительно. 

Опираясь на полученные данные, ученые разработали модель на основе машинного обучения, которая может предсказать эмоциональное состояние пациента по уровню гормонов стресса в его поту. Модель предсказывала, испытывает ли пациент позитивные или негативные эмоции или находится в тревожном состоянии. Точность предсказаний составила 62% для негативных эмоций, 54% для позитивных и 86% для состояния тревоги.

Исследователи считают, что Stressomic может быть полезен как в клинике, так и на дому, ведь он позволяет неинвазивно оценивать уровень стресса. Особенно полезен прибор для работы с пациентами с хроническим стрессом или расстройствами, вызванными стрессом.

Автономный сенсор измеряет уровень кишечных метаболитов в реальном времени