可穿戴設備能夠實現對健康與疾病的連續、分散和非侵入性/微創監測。盡管大多數可穿戴傳感器最初僅限于生物物理測量，但現在出現的下一代可穿戴設備，它們能夠對各種體液中的小分子和大分子進行生化監測，例如汗液、呼吸、唾液、眼淚和間質液。12月4日，西北大學Rogers及蘇黎世聯邦理工Goldhahn等人在Nature發表觀點文章，回顧了用于體液分析的最先進的可穿戴設備及其在臨床應用中的轉化，并提供了對其臨床用途的見解。

最新一代的商用可穿戴設備，如智能手表，可以輕松跟蹤移動性和生命體征。但是，盡管使用光電容積脈搏波描記法進行心律分析已經徹底改變了心房顫動篩，但生物物理設備無法執行精確的生物分子監測。如今，標準護理生物分子監測主要通過血液樣本進行，過程費力、侵入性、依賴于實驗室，并且通常只允許進行現場分析。然而，新興的可穿戴設備將能夠在分子水平上監測健康狀況通過各種體液，例如汗液、間質液 （ISF） 和呼吸，具有高時間分辨率和實時性。

可穿戴設備能夠幫助解決傳統臨床實驗室分析的主要局限性，特別是在以下領域：（1） 篩查和早期診斷；（2） 測量縱向時間序列數據以評估治療效果和疾病進程；（3） 克服采樣挑戰，例如在兒科，以及 （4） 允許在資源稀缺地區簡化復雜診斷的訪問。盡管如此，這些可穿戴設備的成功廣泛臨床實施仍面臨幾個挑戰，包括： （1） 確保傳感器的準確性和可靠性以及持久的電源；（2） 開發滿足臨床需求的軟件和算法；（3） 建立監管框架；（4） 理解衍生數據的臨床意義；以及 （5） 闡述考慮患者的臨床用例， 公共衛生和資源。從流程一開始就讓所有利益相關者參與進來，這將是從實驗室到臨床的成功轉化（包括商業化）的主要支柱之一。

用于體液分析的可穿戴設備 

可實時捕獲豐富動態分子信息的可穿戴傳感器為在廣泛的診斷應用中監測人體帶來了令人興奮的機會。此類設備依賴于將固定化受體對目標生物標志物的選擇性識別（相互作用）轉化為與生物標志物濃度成正比的可測量電信號或光學信號。已經開發了各種可穿戴電化學和光學傳感器，用于實時、無創監測人體體液中的各種化學標志物（電解質、代謝物、激素、藥物等）（圖 1）。這些傳感器依賴于不同的外形尺寸，包括表皮流體貼片、腕帶、紋身、繃帶、紡織品、隱形眼鏡和微針（圖2）。 通過連續和同時監測多個生物標志物，可穿戴傳感器陣列既可以提供不同的動態化學特征，有助于全面監測個人的健康狀況，又可以在出現異常健康狀況時發送警報。用于體液分析的可穿戴設備領域預計將在未來十年迅速發展。為了實現這一增長，可穿戴化學傳感器必須提供與傳統的實驗室臨床檢測相當的可靠分析性能（即復雜生物流體中的準確生物標志物檢測）。目前的努力旨在將可穿戴化學傳感器的范圍擴展到廣泛的生物標志物和體液。

圖1 用于體液分析的可穿戴傳感平臺（圖源：Nature）

可穿戴設備將能夠在分子水平上監測健康狀況，通過各種體液，例如汗液、間質液 （ISF） 及呼吸，具有高時間分辨率和實時性。它們與計算機平板電腦、智能手機、軟件應用程序和機器學習算法的連接可實現自動數據解釋和結果預測。

圖2 目前用于人類生命周期背景下各種體液的可穿戴傳感設備 （圖源：Nature）

面向醫療健康領域的技術轉化 

可穿戴體液生物傳感平臺的成功轉化對于實現其臨床應用至關重要。但該過程需要各種結構和程序。

首先，需要構建以患者為中心的創新流程，生物標志物研究項目從一開始就讓患者和研究參與者參與進來。患者提供的觀點和生活經驗可以大大改進技術干預的設計。盡管迄今為止用于生物物理監測的可穿戴設備大多集成在腕帶和戒指等日常物品中，但下一代可穿戴設備將以貼在皮膚上或遮住嘴巴的貼片和口罩的形式出現，一旦得到充分驗證，將觸發臨床后果，例如調整藥物劑量，即使在家中也是如此。因此，患者將比他們習慣的更明顯、更直接地參與其中。

其次，需要對數字生物標志物的臨床試驗進行嚴格監管及驗證，包括有關選擇和測試數字健康技術、管理數字數據流、支持站點、與衛生當局互動和開發端點的建議。不僅關于必要精度（適合目的）和采樣頻率的問題，電池壽命和患者舒適度等技術因素也需要特別注意。

最后，需要關注可穿戴技術在醫療系統中潛在的提高健康公平性、參與炎癥水平的監測、滿足兒童使用、能夠在資源稀缺地區進行使用等。例如，需要考慮臨床應用中的高假陽性率，以及因此導致的潛在的可預防、繁瑣且昂貴的醫生就診；以及在轉化階段展示的可靠測試準確性對于說服護理提供者和支付方（如健康保險公司）支持使用這些設備至關重要；最后，確保安全的數據分析、交換和存儲至關重要，重點是數據互操作性。

可穿戴設備體液分析的開發、驗證、注冊和商業化取決于可靠、可擴展且具有成本效益的制造工藝。因此在設備轉化方面還有一些挑戰：（1） 材料及其制造以確保一致性、柔韌性和導電性；（2） 所涉及的電子設備的各個方面，包括實時操作期間的噪聲和缺乏靈活性；（3） 生物傳感組件在長期使用和儲存過程中的穩定性；（4） 傳感器與解剖學和生理條件的兼容性；（5） 佩戴者的接受度；以及 （6） 充足的電源和充電。

在將可穿戴設備引入臨床使用時，充足的電源和充電是重要問題，尤其是在進行遠程無監督監測時。充足且自主的電源可確保在各種設置中針對各種設備形式和尺寸（例如，在資源匱乏地區使用智能鏡片、貼片或面罩）進行診斷可用性和縱向多重分析。雖然可充電鋰電池被廣泛使用，但自供電設備將實現獨立于資源的運行。

綜上，盡管最近的試點試驗已經證明了這些可穿戴設備的臨床適用性，但它們的廣泛應用需要在各種條件下進行大規模驗證、道德考慮和社會文化接受度。將可穿戴設備從實驗室原型成功轉化為臨床工具將進一步需要一個涉及所有利益相關者的全面過渡環境。可穿戴設備平臺必須獲得不同用戶群體的接受，為各種醫療適應癥增加臨床價值，有資格獲得報銷，并為公共衛生計劃做出貢獻。

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08249-4