コンタクトレンズ上のラボがセロトニンによるストレス測定を可能に

スマートコンタクトレンズは、一日を通して体内の化学物質を測定できるようになるかもしれません コンタクトレンズ上に印刷された複雑な電子回路が、将来的にはセロトニンレベルのような生化学的信号を測定するウェアラブルセンサーとして機能する可能性があります。 ミンウー・キム、サン・ウォン・リーらの研究によると、「コンタクトレンズ上のラボ」は涙中の神経伝達物質セロトニンを測定でき、ストレスレベルを非侵襲的に分析する新しいウェアラブル方法を提供する可能性があります。 ロサンゼルスのテラサキ・バイオメディカル・イノベーション研究所のバイオメディカルデバイスセンター長であるヤンジー・ジュ氏は、「涙は、時間とともに繰り返し測定できる実用的な非侵襲的生化学情報源になり得る」と述べています。「今日のほとんどのバイオマーカー検査は、依然として採血や孤立した実験室での測定に依存しており、これらはスナップショットしか提供しません。コンタクトレンズに基づいたウェアラブルプラットフォームは、最終的に日常的な設定で生化学的変化をより連続的に追跡することを可能にするかもしれません。」 ストレスは、うつ病や統合失調症など、多くの疾患の発症と関連しています。現在、医師はしばしば質問票や日記を使ってストレスを測定しますが、これらは非常に主観的であり、正確な評価を複雑にします。新しい研究では、研究者たちはストレスを測定するための潜在的に客観的な方法として、セロトニンを測定するデバイスを作成しようとしました。セロトニンは、「幸せホルモン」とも呼ばれ、気分を調整する上で中心的な役割を果たします。それは主に消化管、血液、神経系に見られますが、少量が涙にも見られます。そのため、科学者たちは涙がセロトニンレベルを分析するための非侵襲的で容易にアクセス可能な経路を提供する可能性があるかどうかを調査しました。しかし、セロトニンは非常に低濃度でしか存在しないため、ジュ氏は「センサーは、涙中の他の分子からセロトニンを区別しながら、極めて高感度である必要がある」と述べています。 スマートコンタクトレンズの開発 ジュ氏と彼のチームは、繰り返し変形に耐えるように設計された蛇行パターンで印刷された、柔軟で生体適合性のあるグラフェンと銀電極をカプセル化した、柔らかく再利用可能なハイドロゲルレンズを製造しました。フェロセンと呼ばれる化合物がグラフェンに結合され、セロトニンを強力かつ再現性のある方法で検出するのに役立ちました。 研究者たちは、市販の人工涙液にセロトニンを添加した実験室のディッシュでこれらのスマートコンタクトレンズをテストしました。レンズは、人間の涙の平均セロトニン濃度である約1リットルあたり150億分の1モルよりもはるかに低い、1リットルあたり72兆分の1モルという量のセロトニンさえ検出できました。実験では、レンズが繰り返し反転、折り曲げ、伸縮、ねじれを28日以上繰り返しても機能し続けることが示されました。 科学者たちはまた、実験室のディッシュで、10人のボランティアから採取した涙でレンズをテストしました。ボランティアは、ストレスの多いタスク（公の場でのスピーチと数学の課題）をそれぞれ実行する5分前、直後、約30分後に涙を採取されました。予想通り、ストレスが増加すると涙中のセロトニンレベルは低下しました。 さらに、研究者たちは麻酔をかけた生きた豚の目にレンズを約5分間装着しました。レンズは、目にホルモンを50ナノモルおよび100ナノモル含む人工涙液が与えられたときにセロトニンを検出できました。さらに、レンズは感染や刺激の兆候を一切引き起こしませんでした。 ジュ氏は、「レンズの透明性、柔軟性、快適性に関連する特性を維持しながら、柔らかいコンタクトレンズプラットフォームを使用して涙中の非常に低濃度のセロトニンを検出することができた」と述べています。 レンズが実験室および豚でセロトニンを検出するために使用されたとき、科学者たちは柔らかい柔軟なニッケルワイヤーを使用してレンズを読み出し装置に接続しました。ジュ氏と同僚は、バッテリー不要のセンシングとスマートフォンベースのデータ送信のために、小型化された近距離通信（NFC）チップと伸縮性アンテナを組み込んだレンズの概念実証ワイヤレスバージョンを開発しました。しかし、さらなる最適化、安全性試験、および検証が必要であると彼らは述べています。（ジュ氏によると、矯正用のレンズバージョンも作成可能です。） 非侵襲的バイオセンシングへの期待 カリフォルニア工科大学の医療工学教授で、この研究に参加していないウェイ・ガオ氏は、「この研究は、心拍数や体温などの物理的信号を超えて、分子情報の連続モニタリングへと進むウェアラブルバイオセンシングの刺激的な方向性を強調していると思う」と述べています。「目と涙液は、血液サンプリングなしで繰り返し生化学測定を可能にする可能性があるため、興味深いインターフェースを提供します。」 科学者たちがマウスのストレスを増大させるために数時間ごとに動きを制限したテストでは、げっ歯類の血液と涙の両方でセロトニンレベルが同様の程度で低下することがわかりました。これらの発見は、涙が血中セロトニンレベルの非侵襲的な窓を提供する可能性を示唆していますが、医師がこれらのレンズを医療で使用できるようになる前に、さらなるテストが必要ですとジュ氏は述べています。 ジュ氏は、「涙中のセロトニンが、異なる個人、時間帯、ストレス条件、眼表面の状態、および疾患の状態によってどのように変動するか、そしてそれらの測定値が血液バイオマーカーや臨床評価とどのように関連するかを理解する必要がある」と述べています。 研究者たちはまた、レンズを使用してセロトニンを測定している間の実験室での涙のストレスホルモンコルチゾールの測定も行いました。汗や皮膚下の体液中のコルチゾールを測定するパッチなど、コルチゾールをモニタリングするためのさまざまな技術がすでに開発されています。ジュ氏は、セロトニンとコルチゾールの両方を測定することで補完的な情報を提供できると述べています。コルチゾールは即時の短期的なストレス反応を測定するのに対し、セロトニンは長期的な人の状況の全体像を提供します。彼は、セロトニンを検出することがより困難であり、彼らの技術で何ができるかを示しているとも付け加えています。 将来的には、科学者たちはレンズを使用してセロトニンのみを測定することを超えて、複数の分子を同時に分析して「人の生理学的状態のより豊かな全体像」を得たいと考えていますとジュ氏は述べています。「長期的な目標は、日常生活で時間とともに生化学的変化を追跡できる、快適でウェアラブルなプラットフォームを開発することです。」 科学者たちは、9月16日にジャーナルScience Translational Medicineに発見の詳細を発表しました。