用于运动病探测的生物传感器与生物标志物

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探讨运动病的生物标志物与生物传感器：解决诊断难题的创新方向

运动病（Motion Sickness，MS）是人类普遍经历的一种综合症，发生在交通工具或者虚拟现实（Virtual Reality，VR）所引起的非自然运动中。它的特征包括头痛、恶心、呕吐、出虚汗及肤色苍白等，严重时还可能导致脱水、电解质紊乱及其他躯体和心理上的不良后果。然而，由于缺乏可靠的客观指标及实时检测方法，运动病的精确诊断一直是医疗领域中的难题。尽管已有研究显示一些生理和生化指标可能与运动病的发生相关，但尚未形成系统的研究综述和统一的技术解决路径。为此，《Biosensors and Biomarkers for the Detection of Motion Sickness》这一科学论文集中探讨了运动病的病理机制、潜在生物标志物及其检测的生物传感器技术，为精确诊断与个性化管理运动病提供了新的科学视角。

这篇论文的作者包括Yanbing Wang、Chen Liu、Wenjie Zhao、Qingfeng Wang、Xu Sun及Sheng Zhang，他们隶属于University of Nottingham Ningbo China及Zhejiang University，发表在《Advanced Healthcare Materials》上。文章旨在总结运动病的发病机制与相关研究进展，重点评述基于电化学生物传感器的实时检测技术。

运动病的发病机制与生物学反应路径

论文首先对运动病的发病机制与生物学路径进行了梳理。运动病是一个复杂的生理-心理综合现象，其中包含感觉冲突与神经失配理论（Sensory Conflict and Neural Mismatch Theory）。这种理论认为，当人体眼睛、前庭系统以及本体感觉器官感知到的运动信息无法与大脑的预测相符合时，就会导致一系列的不适症状。此外，运动病的发生伴随着一定的生物学应激反应，包括压力反应（stress reactions）、胃肠道症状（gastrointestinal symptoms）和体温调节异常（thermoregulation）。

  1. 压力反应：运动病刺激会激活下丘脑-垂体-肾上腺轴（Hypothalamic-Pituitary-Adrenal Axis，HPA），释放皮质醇（Cortisol），进而缓解机体的应激反应。相关研究表明，运动开始后皮质醇水平显著升高。

  2. 胃肠道症状：交感神经系统的活动增强会导致内脏神经功能异常，释放肠神经递质和激素如血管活性肽（Vasoactive Intestinal Peptide，VIP），进一步加剧恶心和呕吐。

  3. 体温调节异常：表现为核心体温下降和冷汗，其机制可能与运动剌激所触发的自主神经系统调节有关。

这些反应路径为运动病相关生物标志物的探索奠定了基础。

运动病相关生物标志物及其分类

作者将运动病相关的生物标志物分为以下四类，并列举了各自的特点：

  1. 压力标志物：

    • 皮质醇（Cortisol）：其浓度与运动病症状及个体敏感性密切相关，尤其是女性对激素周期波动敏感。
    • 唾液淀粉酶（Salivary Alpha-Amylase，SAA）：作为急性压力状态的指示物，可反映自主神经系统的活动水平。
    • 肾上腺皮质激素（Adrenocorticotropic Hormone，ACTH）与精氨酸加压素（Arginine Vasopressin，AVP）也被证明与恶心等症状有显著相关性。

  2. 生殖激素：

    • 雌激素（Estrogen）对女性运动病易感性有重要影响，尤其在排卵期，该激素水平与症状严重性呈正相关。

  3. 电解质：

    • 钠离子（Sodium Ions）：唾液中钠离子水平上升可作为运动病引发的自主神经活动的标志。

  4. 代谢产物：

    • 葡萄糖（Glucose）：急性应激反应导致血糖水平显著升高，特别是重度患者中更为明显。

电化学生物传感器的发展及应用

为了实现对上述生物标志物的实时、非侵入式检测，论文综述了当前基于电化学的生物传感技术。以下是几大核心研究点：

1. 皮质醇的电化学传感器

基于抗体、适配体（Aptamers）及分子印迹聚合物（Molecularly Imprinted Polymers，MIPs）的传感平台主导了皮质醇检测的研究。通过电流-电压等传感技术，研究者实现了对汗液与唾液中皮质醇水平的实时动态检测。

例如，一种基于石墨烯与蓝牙科技的抗体传感器具备高灵敏度（LOD低至0.08ng/ml），同时提供一键式实时数据传输能力。

2. 唾液淀粉酶传感器

传感器设计集中于两种策略：一是利用抗体与MIP用于直接识别SAA；二是通过间接检测唾液中淀粉水解生成物（如麦芽糖与葡萄糖）评估SAA水平。其中，许多设备实现了与智能手机的联动，显著降低了操作复杂性。

3. 雌激素监测传感器

适配体及抗体传感器均被用于雌激素的检测。适配体的特异性赋予其卓越的灵敏度（LOD低至0.14pm），尤其是在汗液监测中展现出良好的应用前景。

4. 钠离子与葡萄糖监测传感器

应用于婴幼儿的生物传感奶嘴逐步兴起，利用电极表面改性技术，如钠离子选择膜或葡萄糖氧化酶修饰，提供了实时、连续的健康监测。

意义与展望

这篇综述不仅系统性地总结了运动病相关生物标志物的研究进展，还强调了电化学生物传感技术在这一领域的优越性。其意义主要体现在以下几个方面：

  1. 科学价值：梳理了运动病从病理生理到生物标志物发现的完整链条，为未来的标准化诊断方案提供了依据。

  2. 应用前景：可穿戴式生物传感器为个性化、智能化的运动病管理铺平了道路，尤其在VR体验与自动驾驶推广中的潜在应用令人瞩目。

  3. 技术创新：整合柔性电子学、纳米制造与无线数据传输的传感平台，显著提升了设备的灵活性与用户体验。

即便如此，尚需解决长时间监测中生物传感器信号漂移、环境因素干扰及识别元件长期稳定性等挑战。未来的传感器研发方向将围绕多参数联合检测、自供电平台及主动采样技术展开，从而进一步实现精准监测与全人群覆盖。