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Aug 31, 2023

Un biocapteur électrochimique portable pour la surveillance des métabolites et des nutriments

Nature Biomedical Engineering volume 6, pages 1225-1235 (2022)Citer cet article 74k Accès 84 Citations 282 Détails Altmetric Metrics Biocapteurs portables non invasifs pour la surveillance continue

Nature Biomedical Engineering volume 6, pages 1225-1235 (2022)Citer cet article

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Des biocapteurs portables non invasifs destinés à la surveillance continue des métabolites dans la sueur peuvent détecter quelques analytes à des concentrations suffisamment élevées, généralement lors d'un exercice vigoureux, afin de générer une quantité suffisante de biofluide. Nous rapportons ici la conception et les performances d'un biocapteur électrochimique portable pour l'analyse continue, dans la sueur pendant l'exercice physique et au repos, de traces de multiples métabolites et nutriments, y compris tous les acides aminés et vitamines essentiels. Le biocapteur se compose d'électrodes de graphène qui peuvent être régénérées in situ à plusieurs reprises, fonctionnalisées avec des polymères à empreinte moléculaire de type anticorps spécifiques aux métabolites et des nanoparticules rapporteuses à activité redox, et intégrées à des modules pour l'induction de la sueur basée sur l'iontophorèse, l'échantillonnage microfluidique de la sueur, le traitement du signal et l'étalonnage et la communication sans fil. Chez des volontaires, le biocapteur a permis de suivre en temps réel l'apport en acides aminés et leurs taux lors d'un exercice physique, ainsi que d'évaluer le risque de syndrome métabolique (en corrélant les taux d'acides aminés dans le sérum et la sueur). La surveillance des métabolites pour l’identification précoce d’états de santé anormaux pourrait faciliter les applications en nutrition de précision.

Les nutriments circulants sont des indicateurs essentiels de la santé globale et du fonctionnement de l’organisme1. Les acides aminés (AA), provenant de l'apport alimentaire et de la synthèse du microbiote intestinal, et influencés par les modes de vie personnels, sont des biomarqueurs importants pour un certain nombre de problèmes de santé (Fig. 1a)2. Des acides aminés à chaîne ramifiée (BCAA) élevés, notamment la leucine (Leu), l'isoleucine (Ile) et la valine (Val), sont associés à l'obésité, à la résistance à l'insuline et au risque futur de diabète sucré de type 2 (DT2) et de maladies cardiovasculaires (MCV). et cancer du pancréas3,4,5. Des carences en AA (par exemple, arginine et cystéine) pourraient entraver le système immunitaire en réduisant l’activation des cellules immunitaires6. Le tryptophane (Trp), la tyrosine (Tyr) et la phénylalanine (Phe) sont respectivement des précurseurs des neurotransmetteurs de la sérotonine et des catécholamines (dopamine, noradrénaline et épinéphrine) et jouent un rôle important dans le fonctionnement des systèmes neuronaux complexes et dans la santé mentale7,8. Un certain nombre d’empreintes métaboliques (notamment Leu, Phe et vitamine D) sont liées à la gravité de la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19)9,10. Les disparités nutritionnelles en matière de santé sont également bien corrélées aux disparités raciales et ethniques alarmantes qui sont aggravées par la vulnérabilité et la mortalité liées au COVID-1911. De plus, le dysfonctionnement des organes et des tissus induit par le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère pourrait entraîner une incidence accrue de maladies cardiométaboliques12.

a, Les nutriments en circulation tels que les AA sont associés à diverses conditions physiologiques et métaboliques. b, Schéma du portable « NutriTrek » qui permet la surveillance métabolique grâce à une fusion synergique de LEG, de RAR et d'anticorps artificiels. c, d, schéma (c) et assemblage de couches (d) du patch microfluidique « NutriTrek » pour l'induction de la sueur, l'échantillonnage et la biodétection. T, température. e, f, Images d'un patch de capteur flexible (e) et d'un système portable à interface cutanée (f). Barres d'échelle, 5 mm (e) et 2 cm (f). g, Schéma fonctionnel du système électronique de « NutriTrek ». Les modules entourés de tirets rouges sont inclus dans la version smartwatch. CPU, unité centrale de traitement ; POT, potentiomètre ; In-Amp, amplificateur d'instrumentation ; MCU, microcontrôleur ; TIA, amplificateur trans-impédance ; IP, ionophorèse ; CE, contre-électrode ; RE, électrode de référence ; NOUS, électrode de travail. h, Application mobile personnalisée pour un suivi métabolique et nutritionnel en temps réel. i, montre intelligente « NutriTrek » avec un patch capteur jetable et un affichage électrophorétique. Barres d'échelle, 1 cm (en haut) et 5 cm (en bas).