L'ormone sessuale comunemente noto come estrogeno svolge un ruolo importante in molteplici aspetti della salute e della fertilità delle donne. Alti livelli di estrogeni nel corpo sono associati al cancro al seno e alle ovaie, mentre bassi livelli di estradiolo possono provocare osteoporosi, malattie cardiache e persino depressione. (Gli estrogeni sono una classe di ormoni che include l'estradiolo come la forma più potente). L'estradiolo è necessario anche per lo sviluppo dei caratteri sessuali secondari nelle donne e regola il ciclo riproduttivo.
A causa delle sue numerose funzioni, l'ormone estradiolo è spesso specificamente monitorato dai medici come parte dell'assistenza sanitaria delle donne, ma questo di solito richiede che il paziente si rechi in una clinica per sottoporsi a un prelievo di sangue per l'analisi in laboratorio. Anche i kit per i test a domicilio richiedono che i campioni di sangue o di urina vengano spediti a un laboratorio.
Ma ora i ricercatori del Caltech hanno sviluppato un sensore indossabile che monitora l’estradiolo rilevandone la presenza nel sudore. I ricercatori affermano che un giorno il sensore potrebbe rendere più semplice per le donne monitorare i propri livelli di estradiolo a casa e in tempo reale.
L'articolo che descrive la ricerca, "Un nanobiosensore aptamero indossabile per il monitoraggio non invasivo degli ormoni femminili", è apparso nel numero del 28 settembre di Nature Nanotechnology .
La ricerca è stata condotta nel laboratorio di Wei Gao, assistente professore di ingegneria medica, ricercatore presso l'Heritage Medical Research Institute e Ronald e JoAnne Willens Scholar. Negli ultimi anni, Gao ha sviluppato sensori del sudore che rilevano il cortisolo, un ormone associato allo stress; la presenza del virus COVID-19; un biomarcatore che indica l'infiammazione nel corpo; e tutta una serie di altri nutrienti e composti biologici.
Gao afferma che lo sviluppo del sensore di estradiolo è stato stimolato in parte dalle richieste di persone insoddisfatte delle opzioni a loro disposizione per monitorare i livelli di estrogeni e che avevano visto il suo lavoro precedente.
"Spesso le persone mi chiedono se potrei realizzare lo stesso tipo di sensore del sudore per gli ormoni femminili, perché sappiamo quanto questi ormoni influiscano sulla salute delle donne", afferma Gao.
Una popolazione di donne che trarrebbe beneficio dal monitoraggio dell’estradiolo è quella che sta tentando di concepire un bambino, sia naturalmente che attraverso la fecondazione in vitro. Il successo di entrambi i metodi dipende dalla tempistica corretta per quanto riguarda l'ovulazione, ma non tutte le donne hanno un ciclo riproduttivo che segue un programma regolare. Alcune donne sono riuscite a monitorare l'ovulazione monitorando la temperatura corporea, ma Gao afferma che questo metodo ha un'utilità limitata perché non è molto preciso e la temperatura corporea non aumenta finché non inizia l'ovulazione.
"Ma gli estrogeni aumentano prima dell'ovulazione", dice. "Con questo sensore del sudore, saremmo in grado di avvisare le persone in anticipo."
Altri individui che potrebbero trarre beneficio da un sensore di estrogeni indossabile sono quelli sottoposti a terapia ormonale sostitutiva (HRT) perché i loro corpi non producono sufficiente estradiolo. In questi pazienti, i livelli di estradiolo devono essere attentamente monitorati per garantire che stiano assumendo il dosaggio corretto.
Il sensore sviluppato dal team di Gao è simile sotto molti aspetti ai vari sensori sviluppati dal gruppo in passato. È costruito su una membrana plastica flessibile; presenta minuscoli passaggi incisi (microfluidica) per convogliare piccole quantità di sudore nel sensore; e nanoparticelle d'oro stampate a getto d'inchiostro e pellicole di carburo di titanio (note come MXenes) che conferiscono al sensore un'ampia superficie e conduttività elettrica per aumentarne la sensibilità.
La sfida principale, e ciò che ha dettato i cambiamenti nella progettazione del sensore questa volta, è che l'estradiolo, che è già presente a livelli abbastanza bassi nel sangue, è circa 50 volte meno concentrato nel sudore.
"Dato che la concentrazione è così bassa, è molto difficile rilevare automaticamente l'estradiolo nel sudore", afferma Gao.
Per il nuovo sensore, il gruppo di ricerca ha utilizzato DNA a filamento singolo corto noto come aptameri. Gli aptameri funzionano come anticorpi artificiali e sono progettati per legarsi specificamente a una molecola bersaglio. Gli aptameri sono attaccati a una superficie modificata con nanoparticelle d'oro e si legano a molecole di DNA a filamento singolo etichettate con una molecola che può donare o accettare direttamente elettroni in determinate condizioni.
Quando un aptamero si lega a una molecola di estradiolo, rilascia la molecola redox. Quella molecola viene catturata da un elettrodo vicino fatto di nanoparticelle d'oro rivestite di MXene, generando un segnale elettrico correlato al livello di estradiolo. L'hardware trasmette quindi in modalità wireless i dati raccolti a un'app eseguita su uno smartphone, fornendo all'utente un'interfaccia semplice.
Un'altra innovazione di questo dispositivo è stata la progettazione della microfluidica che raccoglie il sudore e lo incanala nel sensore. Piccole valvole automatiche integrate nella microfluidica consentono solo una piccola quantità fissa di sudore nel sensore e quindi impediscono l'ingresso di ulteriore sudore. Il design consente un'analisi stabile dell'estradiolo senza ulteriore sudore che disturba il processo. Inoltre, per tenere conto della differenza nella composizione del sudore, il dispositivo raccoglie anche informazioni sul pH del sudore, sui livelli di sali nel sudore e sulla temperatura della pelle e li utilizza per la calibrazione in tempo reale.
Test in laboratorio hanno dimostrato che il sensore può monitorare in modo affidabile e accurato i cambiamenti dei livelli di estradiolo nel sudore nel corso del ciclo riproduttivo, dal livello più basso durante le mestruazioni al livello più alto (10 volte maggiore) durante l'ovulazione.
Gao dice che intende continuare a lavorare su questa tecnologia per consentirle di monitorare altri ormoni femminili, come l'ormone luteinizzante o il progesterone, che sono entrambi coinvolti nell'ovulazione. Spera anche di miniaturizzare tutti questi sensori in modo che possano essere inseriti tutti all'interno di un piccolo dispositivo indossabile, come un anello poco appariscente che può essere indossato al dito.
I coautori dello studio includono ricercatori associati post-dottorato in ingegneria medica Cui Ye, Minqiang Wang e Juliane R. Sempionatto; gli studenti laureati in ingegneria medica Jihong Min, Heather Lukas, Jiahong Li e Changhao Xu; e Roland Yingjie Tay, ex Caltech e ora presso la Nanyang Technological University di Singapore.
Ulteriori informazioni: Cui Ye et al, Un nanobiosensore aptamero indossabile per il monitoraggio non invasivo degli ormoni femminili, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01513-0
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale
Fornito dal California Institute of Technology
