Senzorul de transpirație bazat pe inteligență artificială prezice anxietatea înainte de apariția simptomelor

Un studiu publicat în jurnalul Science Advances prezintă Stressomic, un biosenzor microfluidic purtabil capabil să monitorizeze în timp real trei hormoni majori ai răspunsului la stres - cortizol, epinefrină și norepinefrină - direct din transpirație. Platforma integrează iontoforeză autonomă pentru inducerea controlată a transpirației, microfluidică secvențială pentru eșantionare temporizată și detection electrochimică extrem de sensibilă, demonstrând utilitate atât în ​​stresul fizic, cât și în cel emoțional, precum și în condiții de modulare farmacologică.
Stresul este un răspuns fiziologic și psihologic fundamental, cu eustresul (adaptativ) care poate îmbunătăți performanța și distresul (maladaptativ) asociat cu tulburări mentale, imune și cardiovasculare. Evaluările curente se bazează preponderent pe chestionare subiective sau pe senzori fiziologici generali (de exemplu variabilitatea ritmului cardiac), care nu oferă specificitate hormonală și nu disting adecvat între răspunsurile acute și cronice. O înțelegere granulară cere monitorizarea concomitentă a hormonilor reprezentativi pentru axa hipotalamo–hipofizo–suprarenală (cortizol) și sistemul nervos simpatic (epinefrină, norepinefrină). Transpirația este un mediu non-invaziv, cu rezoluție temporală ridicată, însă până acum majoritatea dispozitivelor se concentrau doar pe cortizol, ignorând catecolaminele prezente la niveluri foarte mici.

Despre studiu

Arhitectura dispozitivului

• Inducerea transpirației: modul de iontoforeză cu hidrogeluri cu carbacol, pentru debit controlat, la cerere.
• Microfluidică secvențială: rețea cu valve capilare de reținere (CBV) care temporizează umplerea camerelor și ciclurile de reîmprospătare a reactivilor, oferind amprente temporale ale eșantionării.
• Electrozi și chimia de detecție: electrozi pe grafen gravat cu laser decorați cu nanodendrite de aur (AuND-LEG) pentru suprafață activă mărită și transfer de electroni îmbunătățit; antigene marcate cu albastru de metilen pentru un imunoeseu competitiv cu semnal invers proporțional cu concentrația hormonului.
• Funcționalizare dirijată a anticorpilor: proteină A/G ancorată prin legături tiol pe AuND, pentru orientare optimă și variabilitate redusă.
• Senzori integrați: pH, temperatură, forță ionicǎ și electrozi „timer” care marchează momentul intrării transpirației în fiecare cameră.

Protocol analitic și performanțe

• Verificare electrochimică: voltametrie cu impuls diferențial și spectroscopie de impedanță electrochimică au confirmat pașii de modificare a suprafeței (creștere de curent și scădere a rezistenței după depunerea AuND; efect invers după blocare și proteină G).
• Gama funcțională și sensibilitate: răspuns log-liniar în gamă fiziologică (cortizol 0–100 ng/ml; epinefrină și norepinefrină 0–100 pg/ml), cu limite de detecție de 2,70 ng/ml pentru cortizol, 2,73 pg/ml pentru epinefrină și 9,14 pg/ml pentru norepinefrină.
• Selectivitate: specificitate ridicată în prezența interferenților la concentrații de 1000×, în pofida similarității structurale a catecolaminelor.
• Corelări biologice: concordanță cu ELISA și corelații transpirație–ser, compatibile cu difuzie pasivă (diluții influențate de mărimea moleculară și interacțiuni locale).
• Robustețe operațională: semnal stabil peste >5 μl volum și 10 minute incubație; derivă minimă la temperaturi fiziologice; bending la rază de 1,5 cm fără variații relevante.

Microfluidică pentru eșantionare dinamică

• Temporizare a camerelor: la 1,5 μl/min, camerele se umplu secvențial la intervale de 6 minute, decuplând timpul de eșantionare de timpul de detecție.
• Control al fluxului: valve de oprire cu plafon hidrofob și valve declanșatoare în trepte pentru a crește presiunea de explozie și a prelungi incubația.
• Funcție „timer”: vârf capacitiv la intrarea soluției fixează stampila temporală pentru fiecare cameră, corectând variațiile individuale ale debitului de transpirație.

Biocompatibilitate și integrare

• Citocompatibilitate: teste live/dead și MTT pe 7 zile cu viabilitate crescută, fără citotoxicitate.
• Biocompatibilitate in vivo: test de sensibilizare cutanată pe cobai timp de 21 de zile, fără eritem, edem sau leziuni; histologie cutanată normală.
• Sistem complet: patch flexibil + FPCB cu măsurători multiplexate (voltametrie, impedanță, potențiometrie), procesare de semnal și comunicație wireless.

Rezultate

Caracterizare electrochimică și metrologică

• Reproductibilitate: răspunsuri consistente pe loturi multiple; AuND-LEG depășește electrozii cu nanoparticule de aur în curent post-funcționalizare.
• Stabilitate în matrice reale: efecte minime ale pH-ului și forței ionice în proximitatea fiziologiei; calibrare multivariată (curent SWV, pH, forță ionicǎ) pentru estimarea concentrațiilor pe corp.

Patch microfluidic: profilare temporală

• Fazare operațională: umplere secvențială → eliberare în canalul de ieșire (semnal impedimetric la exces de săruri) → reîmprospătare completă, apoi citiri SWV pe toate camerele, cu uniformitate a vârfurilor la concentrații constante.
• Rezoluție a variațiilor: diferențiere clară între 1 și 10 ng/ml cortizol; detecție a schimbărilor dinamice în timpul rulării prin comutarea nivelurilor.
• Gama de debite: performanță robustă între 0,5–3 μl/min, în concordanță cu cinetica de ≥15 minute pentru stabilizarea semnalului, indiferent de debit.

Studii pilot pe voluntari: stres fizic, psihologic și modulare farmacologică

Concentrațiile în transpirație pentru cortizol, epinefrină și norepinefrină au fost măsurate la 5 momente: 0 (linie de bază), 10 minute (stres acut) și 20, 30, 40 minute (recuperare). S-au colectat concomitent scoruri PANAS (afect pozitiv și negativ) și STAI (anxietate de stare).

• HIIT (efort fizic intermitent intens): cortizol a crescut în primele 10 minute și a revenit treptat spre bazal până la 40 minute; epinefrina a rămas global scăzută; norepinefrina a arătat creștere moderată și variabilitate tardivă. Traiectoriile au corespuns cu dinamica afectivității și anxietății auto-raportate.
• IAPS (imagini negative, stres psihologic): cortizol fără modificări semnificative; epinefrina neschimbată; norepinefrina cu creștere progresivă și diferență semnificativă între faza acută și post-recuperare (P<0,05), concordant cu creșterea anxietății de stare.
• Modulare prin supliment (taurină, acid γ-aminobutiric, teanină, magneziu): scădere treptată a cortizolului; epinefrina relativ stabilă; norepinefrina ușoară diminuare; scorurile subiective neschimbate în absența unui stresor extern—sugerează modulare a nivelului de bază.

Distribuțiile largi, mai ales pentru norepinefrină, reflectă variabilitate interindividuală reală—diferențe în reactivitatea simpatică, reziliență psihologică și istoricul expunerii la stres. Autorii au stratifcat participanții în subgrupuri de eustres/distres pe baza PANAS/STAI și au arătat traiectorii hormonale distincte în funcție de contextul emoțional perceput.

Învățare automată pe dinamica hormonală

• Date și etichete: primele 20 de minute (bazal, vârf anxietate, recuperare), cu normalizare și filtrare de valori extreme; etichete din PANAS/STAI.
• Modele și acuratețe (medie ± deviație standard): Random forest a prezis afect negativ cu 0,62 ± 0,098, afect pozitiv cu 0,54 ± 0,089 și anxietate de stare cu 0,86 ± 0,038.
• Explicabilitate (SHAP): cortizol, norepinefrină și epinefrină au contribuții comparabile; cortizolul domină distingerea afectului negativ, iar norepinefrina este critică pentru anxietatea de stare; niciun biomarker nu are influență negativă în predicția anxietății de stare, subliniind valoarea măsurării simultane.

Interpretare și implicații

• Specificitate fiziologică: măsurarea concomitentă a axa HPA (cortizol) și SNS (epinefrină, norepinefrină) permite diferențierea între stres acut și cronic și cuantificarea încărcării alostatice.
• Non-invaziv și continuu: evită recoltările sanguine episodice, captând dinamica tranzitorie dificil de surprins altfel.
• Aplicații potențiale: monitorizare clinică a tulburărilor legate de stres, optimizarea antrenamentului și recuperării în sport, suport pentru intervenții psihologice și biofeedback personalizat.

Limitări și pași următori

• Variabilitate între loturi: microstructura poroasă a grafenului și dendritele de aur, deși cresc sensibilitatea, pot introduce decalaje de bază; sunt propuse standardizări și calibrări specifice lotului.
• Fereastra temporală: numărul de camere determină durata monitorizării; scalarea arhitecturii ar putea extinde intervalul.
• Generalizare: studiile pilot validează conceptul; necesare cohorte mai mari, urmăriri longitudinale și integrare cu evaluări ecologice momentane și date comportamentale (somn, activitate, context).

Concluzie

Stressomic avansează monitorizarea în timp real a hormonilor de stres din transpirație, combinând microfluidica secvențială, electrozi AuND-LEG și detecție imunoelectrochimică multiplexată. Platforma surprinde diferențe între stresul fizic și cel emoțional, cuantifică recuperarea și oferă un cadru obiectiv pentru profilare afectivă asistată de învățare automată. Prin non-invazivitate, specificitate hormonală și rezoluție temporală înaltă, soluția deschide drumul către intervenții personalizate și o mai bună înțelegere a fiziologiei stresului în viața de zi cu zi.