Un enzima artificiale rileva i livelli di cortisolo nel sudore. / Artificial enzyme detects cortisol levels in sweat

 Un enzima artificiale rileva i livelli di cortisolo nel sudore. / Artificial enzyme detects cortisol levels in sweat

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori del College of Engineering dell'Oregon State University hanno sviluppato un sensore portatile che analizza la sudorazione per rilevare il cortisolo, e che, a loro dire, fornisce risultati in otto minuti.

Il cortisolo è un ormone prodotto dalle ghiandole surrenali. Gli ormoni sono i messaggeri chimici del corpo ed il cortisolo è uno degli ormoni steroidei, insieme ad androgeni, estrogeni e progestinici. Gli ormoni steroidei svolgono un ruolo in diversi processi fisiologici, tra cui lo sviluppo sessuale.

Tra le sue funzioni, il cortisolo contribuisce a combattere le infezioni, a mantenere la pressione sanguigna ed a regolare la glicemia ed il metabolismo. È soprannominato "ormone dello stress" perché viene rilasciato quando le persone si trovano sotto pressione.

Il cortisolo è utile per gestire lo stress a breve termine, ma periodi prolungati di livelli elevati di cortisolo possono avere effetti dannosi sull'organismo, come un aumento del rischio di ansia, depressione e malattie cardiache.

Sanjida Yeasmin, dottoranda che ha condotto lo studio, ha affermato: "In un individuo sano, i livelli di cortisolo aumentano e diminuiscono a seconda dell'ora del giorno. Solitamente sono più alti al mattino e più bassi alla sera: ciò significa che, per monitorare efficacemente il cortisolo, sono necessarie misurazioni rapide e frequenti".

Yeasmin ha spiegato che i livelli di cortisolo vengono solitamente rilevati tramite analisi del sangue o delle urine in una clinica, che richiedono attrezzature di laboratorio e personale specializzato e impiegano più di 30 minuti, con i pazienti che in genere devono attendere più di 2 giorni per ricevere i risultati.

Per affrontare questo problema, Yeasmin e Larry Cheng, professore associato di ingegneria elettrica e informatica, hanno creato un "sensore biomimetico enzimatico" in grado di rilevare il cortisolo in modo sensibile e selettivo. Gli enzimi sono sostanze prodotte da organismi viventi che agiscono da catalizzatori per le reazioni biochimiche.

"Ci siamo ispirati agli enzimi naturali utilizzati nei misuratori di glicemia venduti in farmacia", ha affermato Cheng.

Nei glucometri, specifici enzimi vengono applicati ad un elettrodo, dove possono catturare e reagire con le molecole di glucosio generando un segnale elettrico per la rilevazione. Tuttavia, trovare enzimi naturali per la rilevazione del cortisolo non è semplice, e gli enzimi naturali sono soggetti a instabilità e hanno una breve durata.

Secondo il gruppo, l'enzima artificiale è un polimero speciale con minuscoli spazi sagomati per contenere solo molecole di cortisolo. Questi spazi sono circondati da catalizzatori che fanno reagire il cortisolo, producendo segnali elettrici. Misurando questi segnali, è possibile determinare la quantità di cortisolo presente.

"Questo sensore è privo di enzimi naturali, di etichette e di sonde di segnalazione redox", ha affermato Yeasmin. "È un sensore robusto e integrato che può essere utilizzato in applicazioni point-of-care, come al capezzale di un paziente, al di fuori di un laboratorio, e persino in dispositivi indossabili. Il nostro nuovo sensore è più sensibile e selettivo della maggior parte dei sensori finora descritti e, pertanto, più affidabile per il monitoraggio degli ormoni dello stress."

Livelli di cortisolo troppo alti o troppo bassi possono indicare un disturbo surrenale come il morbo di Addison, caratterizzato da dolore addominale, irregolarità del ciclo mestruale, disidratazione, nausea ed irritabilità, o la sindrome di Cushing, che può causare aumento di peso, sbalzi d'umore, debolezza muscolare e diabete.

"Il sensore è in grado di rilevare i livelli di cortisolo nel sudore in pochi minuti, anche quando questi sono in genere 10.000 volte meno concentrati rispetto ai livelli di glucosio nel sangue", ha affermato Cheng. "L'enzima artificiale utilizzato in questa tecnologia apre nuove prospettive per lo sviluppo di futuri sensori indossabili per il monitoraggio della salute."

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista ACS Applied Materials & Interfaces. Secondo i ricercatori, il materiale ed il meccanismo di rilevamento del nuovo dispositivo potrebbero essere facilmente modificati per rilevare altri ormoni specifici, ad esempio il progesterone, un indicatore chiave per la salute riproduttiva femminile e l'esito della gravidanza.

Lo studio, finanziato dalla National Science Foundation e dai National Institutes of Health, ha coinvolto anche gli studenti laureati dell'OSU Ahasan Ullah, Bo Wu e Xueqiao Zhang.

ENGLISH

Researchers in the Oregon State University College of Engineering have developed a handheld sensor that tests perspiration for cortisol, claimed to provide results in eight minutes.

Cortisol is a hormone produced in the adrenal glands. Hormones are the body’s chemical messengers, and cortisol is one of the steroid hormones, along with androgens, estrogens and progestins. Steroid hormones play a role in several physiological processes including sexual development.

Among its jobs, cortisol assists in fighting infection, maintaining blood pressure and regulating blood sugar and metabolism. It is nicknamed the ‘stress hormone’ because it is released when people find themselves under pressure.

Cortisol is beneficial for dealing with stress in the short term, but prolonged periods of high cortisol levels can have harmful effects on the body, such as an increased risk of anxiety, depression and heart disease.

Sanjida Yeasmin, a doctoral student who led the study, said: “In a healthy individual, cortisol levels rise and fall depending on time throughout the day. They are usually higher in the morning and lower at night – that means if you’re going to effectively monitor cortisol, fast and frequent measurement is needed.”

Yeasmin explained that cortisol levels are most commonly detected through blood or urine testing in a clinic, which requires lab equipment and trained personnel and takes over 30 minutes, with patients typically waiting more than 2 days to receive results.

To address this issue, Yeasmin and Larry Cheng, associate professor of electrical engineering and computer science, created an ‘enzyme mimic sensor’ capable of sensitive and selective cortisol sensing. Enzymes are substances made by living organisms that act as catalysts for biochemical reactions.

“We took inspiration from the natural enzymes used in blood glucose meters sold at pharmacies,” said Cheng.

“In glucose meters, specific enzymes are applied to an electrode, where they can capture and react with glucose molecules to generate an electrical signal for detection. However, finding natural enzymes for cortisol detection is not straightforward, and natural enzymes are prone to instability and have a short lifespan.”

According to the team, the artificial enzyme is a special polymer with tiny spaces shaped to fit only cortisol molecules. These spaces are surrounded by catalysts that make cortisol react, producing electrical signals. By measuring the signals, the amount of cortisol present can be determined.

“This sensor is natural enzyme free, label free and redox signaling probe free,” Yeasmin said. “It is a robust and integrated sensor that can be applied for point-of-care applications – like at someone’s bedside, outside a lab setting – and even for wearable applications. Our new sensor is more sensitive and selective than most reported sensors and, therefore, more reliable for stress hormone monitoring.”

Cortisol levels that are too high or low may indicate an adrenal disorder such as Addison’s disease, characterized by abdominal pain, abnormal menstrual periods, dehydration, nausea and irritability, or Cushing’s syndrome, which can cause weight gain, mood swings, muscle weakness and diabetes.

“The sensor can detect cortisol levels in sweat within minutes, even when they are typically 10,000 times less concentrated than glucose levels in the blood,” Cheng said. “The artificial enzyme used in this technology opens up new avenues for developing future wearable sensors for health monitoring.”

Findings were published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces. The material and sensing mechanism in the new device could be easily engineered to detect other specific hormones, the researchers said – for example, progesterone, a key marker for women’s reproductive health and pregnancy outcomes.

The National Science Foundation and National Institutes of Health supported the study, which also included OSU graduate students Ahasan Ullah, Bo Wu and Xueqiao Zhang.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/artificial-enzyme-detects-cortisol-levels-in-sweat?utm_source=content_recommendation&utm_medium=blueconic