Wetenschappers van het Terasaki Institute for Biomedical Innovation hebben een innovatieve, slimme contactlens ontwikkeld die stress kan meten door de concentratie van de neurotransmitter serotonine in traanvocht te analyseren. Deze methode biedt een objectief en niet-invasief alternatief voor subjectieve vragenlijsten of invasieve bloedafnames.
Technische werking en validatie De lens is vervaardigd uit zachte hydrogel met flexibele grafeen- en zilverelektroden. Dankzij een verbinding genaamd ferrocene is de sensor extreem gevoelig en kan hij serotonine nauwkeurig onderscheiden van andere moleculen. De effectiviteit is bewezen via tests met kunsttranen, menselijke vrijwilligers die stressvolle taken uitvoerden, en een test op een varken waarbij geen irritatie optrad.
Toekomstige ontwikkelingen Er is al een proof-of-concept ontwikkeld met een NFC-chip voor batterijvrije dataoverdracht naar een smartphone. De onderzoekers benadrukken dat dit een belangrijke stap is in de verschuiving van het meten van fysieke signalen (zoals hartslag) naar continue moleculaire monitoring. In de toekomst zou de lens ook kunnen dienen als zichtcorrectie en meerdere biochemische markers tegelijkertijd kunnen analyseren.
Slimme contactlens meet stress via serotonine in traanvocht
Slimme contactlenzen kunnen in de toekomst mogelijk de lichaamschemie gedurende de dag meten. Een "lab op een contactlens" kan de neurotransmitter serotonine in tranen meten, wat volgens een nieuwe studie een innovatieve, draagbare methode kan bieden om stress op een niet-invasieve manier te analyseren.
"Tranen zouden een praktische, niet-invasieve bron van biochemische informatie kunnen worden die herhaaldelijk in de tijd gemeten kan worden," zegt Yangzhi Zhu, directeur van het centrum voor biomedische apparaten aan het Terasaki Institute for Biomedical Innovation in Los Angeles. "De meeste biomarker-tests vertrouwen vandaag de dag nog steeds op bloedafnames of geïsoleerde laboratoriummetingen, die slechts momentopnames geven. Een draagbaar platform op basis van een contactlens zou het uiteindelijk mogelijk kunnen maken om biochemische veranderingen continu en in alledaagse omgevingen te volgen."
Stress is verbonden aan de ontwikkeling van veel aandoeningen, zoals depressie en schizofrenie. Momenteel meten artsen stress vaak met behulp van vragenlijsten of dagboeken, maar deze zijn zeer subjectief, wat nauwkeurige evaluaties bemoeilijkt. In de nieuwe studie probeerden onderzoekers een apparaat te creëren dat serotonine meet voor een potentieel objectieve methode om stress in te schatten.
Serotonine, vaak het "gelukshormoon" genoemd, speelt een centrale rol bij het reguleren van de stemming. Het komt voornamelijk voor in het spijsverteringskanaal, het bloed en het zenuwstelsel, maar in kleine hoeveelheden is het ook te vinden in tranen. Daarom onderzochten de wetenschappers of tranen een niet-invasieve, gemakkelijk toegankelijke route kunnen bieden om serotonineniveaus te analyseren. Omdat serotonine echter in zeer lage concentraties aanwezig is, stelt Zhu dat "een sensor extreem gevoelig moet zijn, terwijl hij serotonine tegelijkertijd moet kunnen onderscheiden van andere moleculen in tranen."
De ontwikkeling van de slimme contactlens
Zhu en zijn team vervaardigden zachte, herbruikbare hydrogel-lenzen waarin flexibele, biocompatibele grafeen- en zilverelektroden zijn ingekapseld. Deze zijn gedrukt in slangvormige patronen die ontworpen zijn om herhaaldelijke vervorming te kunnen weerstaan. Een verbinding genaamd ferrocene werd aan het grafeen gebonden om serotonine op een sterke en reproduceerbare manier te detecteren.
De onderzoekers testten deze slimme contactlenzen in laboratoriumschalen met commercieel verkrijgbare kunsttranen waaraan ze serotonine hadden toegevoegd. De lenzen konden concentraties detecteren vanaf 72 biljoenste van een mol per liter serotonine; dit ligt ruim onder de gemiddelde serotonineconcentratie in menselijke tranen van ongeveer 15 miljardste van een mol per liter. Experimenten toonden ook aan dat de lenzen meer dan 28 dagen van herhaaldelijk omkeren, vouwen, rekken en draaien konden doorstaan terwijl ze functioneel bleven.
Daarnaast testten de wetenschappers de lenzen in laboratoriumschalen met tranen die waren verzameld van 10 vrijwilligers op drie momenten: vijf minuten voor, direct na, en ongeveer 30 minuten na het uitvoeren van twee stressvolle taken (een presentatie in het openbaar en wiskundige uitdagingen). Zoals verwacht daalden de serotonineniveaus in de tranen bij toenemende stress.
Tot slot plaatsten de onderzoekers een van de lenzen gedurende ongeveer vijf minuten op het oog van een geblootst varken. De lens kon serotonine detecteren wanneer het oog kunsttranen kreeg met concentraties van 50 en 100 nanomolaire serotonine. Bovendien vertoonde de lens geen tekenen van infectie of irritatie.
"We waren in staat om zeer lage concentraties serotonine in tranen te detecteren met een zacht contactlensplatform, terwijl de transparantie, flexibiliteit en comforteigenschappen van de lens behouden bleven," aldus Zhu.
Bij de tests in het laboratorium en bij het varken verbonden de wetenschappers de lenzen via zachte, flexibele nikkeldraden aan de uitleesapparatuur. Zhu en zijn collega's hebben inmiddels een proof-of-concept draadloze versie van hun lens ontwikkeld, inclusief een geminiaturiseerde NFC-chip (near-field communications) en een rekbare antenne voor batterijvrije sensing en dataoverdracht via een smartphone. Ze benadrukken echter dat verdere optimalisatie, veiligheidstesten en validatie nodig zijn. Volgens Zhu zouden deze lenzen in de toekomst ook als correctieve lenzen (voor zichtcorrectie) gemaakt kunnen worden.
Belofte voor niet-invasieve biosensing
"Ik denk dat dit werk een spannende richting in draagbare biosensing markeert: de verschuiving van fysieke signalen, zoals hartslag en temperatuur, naar continue monitoring van moleculaire informatie," zegt Wei Gao, professor in medische technologie aan het California Institute of Technology, die niet deelnam aan dit onderzoek. "Het oog en het traanvocht bieden hiervoor een interessante interface, omdat ze herhaalde biochemische metingen mogelijk maken zonder bloedafnames."
In tests waarbij de bewegingen van muizen enkele uren per dag werden beperkt om hun stress te verhogen, ontdekten de onderzoekers dat de serotonineniveaus in zowel het bloed als de tranen van de knaagdieren in dezelfde mate daalden. Deze bevindingen suggereren dat tranen een niet-invasief venster kunnen bieden naar de serotonineniveaus in het bloed, al is er meer onderzoek nodig voordat artsen deze lenzen in de medische praktijk kunnen gebruiken.
"We moeten begrijpen hoe traan-serotonine varieert tussen verschillende individuen, tijdstippen van de dag, stressomstandigheden, de toestand van het oogoppervlak en ziektebeelden, en hoe die metingen zich verhouden tot bloedbiomarkers en klinische beoordelingen," zegt Zhu.
De onderzoekers maten tijdens de laboratoriumtests van de tranen ook het stresshormoon cortisol. Er worden al diverse technieken ontwikkeld om cortisol te monitoren, zoals pleisters die dit meten in zweet of in vloeistof onder de huid. Zhu stelt dat het meten van zowel serotonine als cortisol complementaire informatie kan bieden: cortisol meet directe, kortetermijnreacties op stress, terwijl serotonine een beeld geeft van wat een persoon op de lange termijn ervaart. Hij voegt eraan toe dat het detecteren van serotonine technisch uitdagender is, wat aantoont wat mogelijk is met hun technologie.
In de toekomst willen de wetenschappers verder gaan dan alleen het meten van serotonine en meerdere moleculen tegelijk analyseren voor "een veel rijker beeld van de fysiologische toestand van een persoon." Het langetermijndoel is de ontwikkeling van een comfortabel, draagbaar platform dat biochemische veranderingen in het dagelijks leven over een langere periode kan volgen.
De wetenschappers publiceerden hun bevindingen op 16 september in het tijdschrift Science Translational Medicine.
Slimme contactlens meet stress via serotonine in traanvocht
Slimme contactlenzen kunnen in de toekomst mogelijk de lichaamschemie gedurende de dag meten. Een "lab op een contactlens" kan de neurotransmitter serotonine in tranen meten, wat volgens een nieuwe studie een innovatieve, draagbare methode kan bieden om stress op een niet-invasieve manier te analyseren.
"Tranen zouden een praktische, niet-invasieve bron van biochemische informatie kunnen worden die herhaaldelijk in de tijd gemeten kan worden," zegt Yangzhi Zhu, directeur van het centrum voor biomedische apparaten aan het Terasaki Institute for Biomedical Innovation in Los Angeles. "De meeste biomarker-tests vertrouwen vandaag de dag nog steeds op bloedafnames of geïsoleerde laboratoriummetingen, die slechts momentopnames geven. Een draagbaar platform op basis van een contactlens zou het uiteindelijk mogelijk kunnen maken om biochemische veranderingen continu en in alledaagse omgevingen te volgen."
Stress is verbonden aan de ontwikkeling van veel aandoeningen, zoals depressie en schizofrenie. Momenteel meten artsen stress vaak met behulp van vragenlijsten of dagboeken, maar deze zijn zeer subjectief, wat nauwkeurige evaluaties bemoeilijkt. In de nieuwe studie probeerden onderzoekers een apparaat te creëren dat serotonine meet voor een potentieel objectieve methode om stress in te schatten.
Serotonine, vaak het "gelukshormoon" genoemd, speelt een centrale rol bij het reguleren van de stemming. Het komt voornamelijk voor in het spijsverteringskanaal, het bloed en het zenuwstelsel, maar in kleine hoeveelheden is het ook te vinden in tranen. Daarom onderzochten de wetenschappers of tranen een niet-invasieve, gemakkelijk toegankelijke route kunnen bieden om serotonineniveaus te analyseren. Omdat serotonine echter in zeer lage concentraties aanwezig is, stelt Zhu dat "een sensor extreem gevoelig moet zijn, terwijl hij serotonine tegelijkertijd moet kunnen onderscheiden van andere moleculen in tranen."
De ontwikkeling van de slimme contactlens
Zhu en zijn team vervaardigden zachte, herbruikbare hydrogel-lenzen waarin flexibele, biocompatibele grafeen- en zilverelektroden zijn ingekapseld. Deze zijn gedrukt in slangvormige patronen die ontworpen zijn om herhaaldelijke vervorming te kunnen weerstaan. Een verbinding genaamd ferrocene werd aan het grafeen gebonden om serotonine op een sterke en reproduceerbare manier te detecteren.
De onderzoekers testten deze slimme contactlenzen in laboratoriumschalen met commercieel verkrijgbare kunsttranen waaraan ze serotonine hadden toegevoegd. De lenzen konden concentraties detecteren vanaf 72 biljoenste van een mol per liter serotonine; dit ligt ruim onder de gemiddelde serotonineconcentratie in menselijke tranen van ongeveer 15 miljardste van een mol per liter. Experimenten toonden ook aan dat de lenzen meer dan 28 dagen van herhaaldelijk omkeren, vouwen, rekken en draaien konden doorstaan terwijl ze functioneel bleven.
Daarnaast testten de wetenschappers de lenzen in laboratoriumschalen met tranen die waren verzameld van 10 vrijwilligers op drie momenten: vijf minuten voor, direct na, en ongeveer 30 minuten na het uitvoeren van twee stressvolle taken (een presentatie in het openbaar en wiskundige uitdagingen). Zoals verwacht daalden de serotonineniveaus in de tranen bij toenemende stress.
Tot slot plaatsten de onderzoekers een van de lenzen gedurende ongeveer vijf minuten op het oog van een geblootst varken. De lens kon serotonine detecteren wanneer het oog kunsttranen kreeg met concentraties van 50 en 100 nanomolaire serotonine. Bovendien vertoonde de lens geen tekenen van infectie of irritatie.
"We waren in staat om zeer lage concentraties serotonine in tranen te detecteren met een zacht contactlensplatform, terwijl de transparantie, flexibiliteit en comforteigenschappen van de lens behouden bleven," aldus Zhu.
Bij de tests in het laboratorium en bij het varken verbonden de wetenschappers de lenzen via zachte, flexibele nikkeldraden aan de uitleesapparatuur. Zhu en zijn collega's hebben inmiddels een proof-of-concept draadloze versie van hun lens ontwikkeld, inclusief een geminiaturiseerde NFC-chip (near-field communications) en een rekbare antenne voor batterijvrije sensing en dataoverdracht via een smartphone. Ze benadrukken echter dat verdere optimalisatie, veiligheidstesten en validatie nodig zijn. Volgens Zhu zouden deze lenzen in de toekomst ook als correctieve lenzen (voor zichtcorrectie) gemaakt kunnen worden.
Belofte voor niet-invasieve biosensing
"Ik denk dat dit werk een spannende richting in draagbare biosensing markeert: de verschuiving van fysieke signalen, zoals hartslag en temperatuur, naar continue monitoring van moleculaire informatie," zegt Wei Gao, professor in medische technologie aan het California Institute of Technology, die niet deelnam aan dit onderzoek. "Het oog en het traanvocht bieden hiervoor een interessante interface, omdat ze herhaalde biochemische metingen mogelijk maken zonder bloedafnames."
In tests waarbij de bewegingen van muizen enkele uren per dag werden beperkt om hun stress te verhogen, ontdekten de onderzoekers dat de serotonineniveaus in zowel het bloed als de tranen van de knaagdieren in dezelfde mate daalden. Deze bevindingen suggereren dat tranen een niet-invasief venster kunnen bieden naar de serotonineniveaus in het bloed, al is er meer onderzoek nodig voordat artsen deze lenzen in de medische praktijk kunnen gebruiken.
"We moeten begrijpen hoe traan-serotonine varieert tussen verschillende individuen, tijdstippen van de dag, stressomstandigheden, de toestand van het oogoppervlak en ziektebeelden, en hoe die metingen zich verhouden tot bloedbiomarkers en klinische beoordelingen," zegt Zhu.
De onderzoekers maten tijdens de laboratoriumtests van de tranen ook het stresshormoon cortisol. Er worden al diverse technieken ontwikkeld om cortisol te monitoren, zoals pleisters die dit meten in zweet of in vloeistof onder de huid. Zhu stelt dat het meten van zowel serotonine als cortisol complementaire informatie kan bieden: cortisol meet directe, kortetermijnreacties op stress, terwijl serotonine een beeld geeft van wat een persoon op de lange termijn ervaart. Hij voegt eraan toe dat het detecteren van serotonine technisch uitdagender is, wat aantoont wat mogelijk is met hun technologie.
In de toekomst willen de wetenschappers verder gaan dan alleen het meten van serotonine en meerdere moleculen tegelijk analyseren voor "een veel rijker beeld van de fysiologische toestand van een persoon." Het langetermijndoel is de ontwikkeling van een comfortabel, draagbaar platform dat biochemische veranderingen in het dagelijks leven over een langere periode kan volgen.
De wetenschappers publiceerden hun bevindingen op 16 september in het tijdschrift Science Translational Medicine.
Groetjes,