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CN109843372B - 长时间汗液刺激 - Google Patents

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CN109843372B CN201780062833.2A CN201780062833A CN109843372B CN 109843372 B CN109843372 B CN 109843372B CN 201780062833 A CN201780062833 A CN 201780062833A CN 109843372 B CN109843372 B CN 109843372B
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Abstract

一种刺激和感测汗液的方法，其包括：将汗液刺激物给予皮肤以有效产生汗液，每剂量的汗液刺激物以至少0.1nL/min/腺体的产生速率持续时间为6小时或更长时间；以及使用放置在皮肤(12)上的装置(100)感测产生的汗液，该装置包括至少一个对汗液中的分析物特异的传感器(124)。给予皮肤汗液刺激物的步骤包括一下至少一个步骤：施加小于320mC/cm2/天的电荷密度或施加一次剂量的汗液刺激物。

Description

长时间汗液刺激
背景技术
汗液感测技术具有巨大的潜力，应用范围从体育运动、新生儿学、药理学监测、到个人数字健康，仅列举了几例应用。汗液含有许多与血液携带相同的生物标记物、化学物质或溶质，可以提供重要信息，使人们即使在任何体征之前也可以诊断疾病、健康状况、毒素、表现和其他生理特征。此外，可以测量在皮肤上、皮肤附近或皮肤下的汗液本身、出汗的作用以及其他参数、属性、溶质或特征，以进一步揭示生理信息。
使用汗液的生物感测具有许多缺点和局限性。存在对产生和感测汗液的改进方法的需求。
发明内容
所公开发明的实施方式提供了使用受控的汗液刺激物给药方案来感测皮肤上汗液的方法。在一实施方式中，一种使用受控的汗液刺激物给药方案来感测皮肤上汗液的方法包括给予皮肤汗液刺激物以有效至产生汗液，每剂量的汗液刺激物下，汗液的生成速率至少为0.1nL/min/腺体，持续时间为6小时或更长时间；以及使用放置在皮肤上的装置感测产生的汗液，装置包括至少一个对汗液中的分析物特异的传感器。给予皮肤汗液刺激物包括以下中的至少一个：施加小于320mC/cm2/天的电荷密度或施加一次剂量的汗液刺激物。
根据以下详细描述和附图，将进一步理解所公开发明的目的和优点。
附图说明
图1是根据所公开发明的一实施方式的汗液感测装置的剖视图。
图2A-2D是显示人员A使用卡巴胆碱进行汗液刺激的图表。
图3A-3D是显示人员B使用卡巴胆碱进行汗液刺激的图表。
图4是包括特定剂量下的初始汗液产生速率的条状图和须状图(whisker graph)，并且平均初始汗液率的散点图在条状图和须状图的右侧，其中*表示该剂量与100％卡巴胆碱的平均值的显著差异(p值小于0.05)。
图5是包括在特定剂量下1nL/min/腺体的出汗反应持续时间切断的条状图和须状图，并且每个受试者的中期和后期位置之间的平均持续时间的散点图在条状图和须状图的右侧，其中*表示该剂量与100％卡巴胆碱和匹罗卡品的平均值的显著差异(p值小于0.05)，**表示该剂量与100％卡巴胆碱的平均值的显著差异(p值小于0.05)。
图6是包括在特定剂量下0.1nL/min/腺体的出汗反应持续时间切断的条状图和须状图，并且每个受试者的中期和后期位置之间的平均持续时间的散点图在条状图和须状图的右侧，其中*表示该剂量与100％卡巴胆碱的平均值的显著差异(p值小于0.05)。
图7A-7C是基于使用12.5％卡巴胆碱重复刺激的出汗反应的示意图。
具体实施方式
本领域技术人员会认识到，可以在没有本文描述的一个或多个具体细节的情况下，或者利用其他替换和/或另外的方法、材料或组件来实践各种实施方式。在其他情况下，本文未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免模糊本发明的各种实施方式的各方面。类似地，出于解释的目的，本文阐述了具体的数字，材料和配置，以便提供对本发明的透彻理解。此外，应理解，图中所示的各种实施方式是说明性表示，并且不一定按比例绘制。
本说明书中对“一个实施方式”或“实施方式”的引用意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本发明的至少一个实施方式中，但并不表示它们是存在于每个实施方式中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一实施方式中”或“在另一个实施方式中”不一定是指本发明的相同实施方式。此外，“组件(a component)”可以代表一种或多种组件，因此，在本文中可以用于表示“至少一个”。
参考图1，将汗液感测装置100放置在皮肤12上。汗液感测装置100包括至少一个含有汗液刺激物的汗液刺激物贮存器140。可以通过离子电渗疗法递送汗液刺激物或通过另一种合适的经皮递送技术(例如，扩散，注射)。汗液感测装置100还包括分析物特异性传感器124和微流体组件130。微流体组件130从皮肤12收集汗液并将其传送至分析物特异性传感器124，分析物特异性传感器124对汗液进行感测。汗液感测装置100还包括透气的皮肤粘合层110、基底112和电极120、122。电极120、122用于将汗液刺激物递送到皮肤12，其可以是例如离子电渗和/或电渗透电极和/或反电极。控制器150可以控制电极120、122。电极120、122的控制可以是计算控制的，使用简单的模拟电子控制来控制，或通过其他合适的方法控制。所有这些控制方法都可以称为控制机构，其用于控制一种或多种物质进入体内的剂量。剂量包括给予体内的物质总量、周期性或速率、或其他时间或量或其他对于以推荐或有效的方式递送物质重要的递送因子。控制器可以限制施加的当前的或总的剂量以确保永远不会达到有害或毒性剂量。
在所公开发明的一个方面，汗液刺激装置，例如汗液感测装置100，可以使用刺激汗液并且缓慢代谢的化学试剂产生对汗液刺激的延长响应。对汗液刺激的延长响应可以是，例如，基于单、一次剂量的化学试剂的24小时汗液刺激。示例性的汗液刺激剂，例如乙酰胆碱(acetylcholine)、卡巴胆碱(carbachol)和乙酰甲胆碱(methacholine)，可通过离子电渗疗法递送以刺激汗液。然而，乙酰胆碱被乙酰胆碱酯酶(AChE)迅速代谢，而其他汗液刺激物，如卡巴胆碱或乙酰甲胆碱，代谢速度要慢得多(见下表1)。
表1：常见胆碱模拟药物的活性
Figure BDA0002023536210000031
所公开发明的实施方案可包括从皮肤区域收集汗液，其中间接或直接刺激汗液产生。例如，汗液感测装置100直接刺激汗液感测装置100下方的汗液，其由微流体组件130收集。能够间接刺激汗液的合适装置描述于国际专利申请No.PCT/US16/17726中，其公开内容以其整体并入本文。作为又一个例子，可以在直接施加刺激之后应用汗液感测装置，例如使用国际专利申请No.PCT/US16/50928中描述的装置，其公开内容以其整体并入本文。
每天施加的总电荷密度可能超过实现24小时汗液刺激所需的电荷密度。所公开发明的实施方式可包括的总电荷密度等于或小于：320mC/cm2/天，160mC/cm2/天，80mC/cm2/天，40mC/cm2/天，2mC/cm2/天，10mC/cm2/天，5mC/cm2/天，2mC/cm2/天或1mC/cm2/天。这些总电荷密度中的每一个可以对应于每天递送一次的汗液刺激物的单剂量至每天施用超过一次的剂量的总剂量(例如，单剂量160mC/cm2或三剂量的80mC/cm2各自达到160mC/cm2/天的总电荷密度)。
在所公开发明的一个方面，电荷密度也可以基于所需的总刺激汗液量标准化为每日剂量。在一个实施方案中，可以确定电荷密度使得实现的刺激汗液量例如大于1400nL/腺体/(40mC/cm2)。因此，40mC/cm2的电荷密度可以提供大于1400nL/腺体/剂量的刺激汗液量。
电荷密度为40mC/cm2可以提供24小时的大于1nL/min/腺体的出汗率(参见实施例1)。在40mC/cm2的电荷密度下，匹罗卡品(Pilocarpine)通常可以达到约90分钟的1-4nL/min/腺体的平均出汗速率，这仅是产生或刺激的汗液量为360nL/min/腺体/剂量或更少。在所公开发明的各种实施方式中，可以达到刺激的汗液产生速率大于：0.1nL/min/腺体、0.2nL/min/腺体、0.5nL/min/腺体、1nL/min/腺体、2nL/min/腺体或5nL/min/腺体，每剂量持续6小时或更长时间。这些汗液产生率也可以在更长的持续时间内实现，例如24小时或30小时。
对于1nL/min/腺体的24小时平均值，所公开发明的实施方式可以产生大于以下之一的量的刺激汗液：5600nL/腺体/剂量，2800nL/腺体/剂量，1400nL/腺体/剂量，700nL/腺体/剂量，350nL/腺体/剂量，其中剂量是汗液刺激物的单次一次给药剂量。
在所公开发明的实施方式中，总电荷密度可以以一个剂量施用，或者可以在24小时内分成多个较小的亚剂量(例如，每6小时10mC/cm2)。在所公开发明的一个方面，每天的剂量数可以根据使用的汗液刺激物而变化。例如，匹罗卡品(pilocarpine)平均持续90分钟，这将需要16次重复剂量以在一天内提供持续的汗液产生和取样。因此，所公开的发明可以包括能够使用小于或等于10次刺激(即，亚剂量)，或小于或等于5次刺激，或小于或等于2次刺激，或只有1次刺激的24小时汗液刺激的装置。因此，上述术语总电荷密度(例如，40mC/cm2/天)可以通过多次刺激剂量(即，亚剂量)或单次、一次性刺激剂量来实现。
刺激面积可以小至0.5cm2、0.2cm2、0.1cm2或0.05cm2，对于0.05cm2则100个活性腺体/cm2提供多达5个用于汗液取样的活性腺体。对于小于40mC/cm2，这意味着总施加电荷小于20mC/天、小于8mC/天、小于4mC/天、2mC/天，并且对于低汗液产生速率，甚至可低于1mC/天。可以使用基于分子量的转化将电荷密度单位(mC/cm2)转换成刺激物剂量密度(mg/cm2)，对于列于表3中的几个实施方式，其总共75mC。
表3
卡巴胆碱(mg) 乙酰胆碱(mg) 乙酰甲胆碱(mg) 匹罗卡品(mg)
0.142 0.1136 0.125 0.162
因为本文所述的一些汗液刺激物非常缓慢地代谢，所以它们也可以通过注射或被动扩散实际应用。因此，除非使用术语诸如离子电渗疗法和/或mC，否则汗液刺激或汗液刺激物的递送可包括任何合适的局部方法，例如被动扩散。例如，卡巴胆碱可以置于丙二醇中或甚至仅置于水中并被动地扩散通过或进入皮肤以刺激汗液。
本发明的一个实施方案还可以使用多种不同的汗液刺激物。例如，水凝胶(如琼脂)可含有卡巴胆碱和乙酰甲胆碱，对于乙酰甲胆碱替代卡巴胆碱，一些受试者可能具有更强或更长的持续时间。结果，可以使用单一刺激凝胶，其通常适用于在一般人群中发现的各种受试者。此外，未来可能会开发新的刺激物。例如，卡巴胆碱具有强烈的烟碱和毒蕈碱活性。可以开发出第一种刺激物，其针对强烈和长期的毒蕈碱反应进行了全面优化，并且可以开发出第二种刺激物，其针对强烈和长期的烟碱反应进行了全面优化。因此，刺激物凝胶可含有第一和第二刺激物并通过离子电渗疗法将它们递送到皮肤中，并且可能超过单一刺激物(如卡巴胆碱)的性能。这种多种刺激物也可以通过其他方式递送，例如被动扩散。在刺激物的混合物中，混合物可主要包含一种刺激物，使得主要刺激物占刺激物总量的50％或更多。
本发明的一个实施方式还可以使用一种或多种汗液刺激物以及汗液刺激物的局部代谢抑制剂，例如乙酰胆碱酯酶抑制剂。此外，在一个实施方式中，汗液刺激物可主要包括乙酰胆碱酯酶抑制剂。与诸如卡巴胆碱的刺激物的活性性质相比，乙酰胆碱酯酶抑制剂被动地产生汗液。乙酰胆碱酯酶抑制剂包括可逆、不可逆或准不可逆的那些(也称为假不可逆)，包括氨基甲酸酯和其他化学物质。
最后，向普通受试者提供上述示例和参数。将认识到，具有罕见情况或病症的受试者可能会偏离对本文公开的实施方式的解释，但实际上在来自群体的大量用户的背景下是无关紧要的。
为了便于更完整地理解本发明的实施方式，提供以下非限制性实施例。
实施例1
在两个人员(A和B)上刺激汗液，对于每个人使用在1.9cm2的总刺激区域上施加0.5mA的电流和75mC的电荷150秒的时间。因此，总电荷密度为75mC/1.9cm2或约40mC/cm2，并且递送至皮肤的估计剂量的卡巴胆碱为0.142mg。电荷密度和刺激物剂量估计可以基于也被给药的其他离子杂质而变化(例如，施加的钠可以减少施加的卡巴胆碱的量)。在任何给定的情况下，施加的离子杂质的影响可以通过分析化学技术估计或量化。实际刺激物剂量可能小于估计剂量，这将使得此处和实施例2中证明的结果更令人印象深刻。刺激区域分成两个相距约1英寸的圆形测试部位。使用Gamry稳压器使用2kHz和1V峰峰值正弦波测量皮肤阻抗。对于人员A和人员B的电阻结果分别绘制在图2A-2D和图3A-3D(为了清楚起见，为每个人将数据分成四个图表)。在位于刺激部位1英寸内的对照部位(即，未刺激的皮肤)测量基线图。人员A和人员B清楚地显示单剂量的至少24小时的汗液刺激。人员A显示单剂量的汗液刺激至少31小时。由于自然出汗事件，几个基线数据集的电阻较低，但受刺激区域的电阻没有增加，这清楚地表明由于卡巴胆碱的化学刺激而导致汗液的持续产生。
还使用视觉测试和重量测试来量化nL/min/腺体表示的汗液速率。人员B的结果在图4中显示，显示了刺激后25小时约1cm2皮肤的皮肤部位。每平方厘米(cm2)计数约130个活性腺体。将滤纸称重，在塑料膜下放置在刺激和对照部位上保持10分钟以防止蒸发，并立即再次称重，然后计算汗液产生速率。对照部位没有表现出重量增加，只有一张纸例外表明汗液产生速率为0.01nL/min/腺体。刺激部位1和2的数据(从两个刺激区域中的每一个获得的纸张测量值)显示在表2中。
表2
Figure BDA0002023536210000071
上述卡巴胆碱汗液刺激实验可以用几种方式解释。如上所述，每天的总电荷密度为约40mC/cm2。每天施加的总电荷密度超过实现24小时汗液刺激所需的电荷密度，并且观察到较低的电荷密度也产生24小时的汗液产生。此外，一些应用可能受益于汗液产生速率仅为0.1nL/min/腺体(比本实施例中所示的低10倍)。结果是，所需的剂量甚至可以更低。
在实施例1中施加的40mC/cm2电荷密度实现了24小时的大于1nL/min/腺体的出汗速率。此外，小于40mC/cm2的电荷密度实现了大于1400nL/腺体/剂量的刺激汗液量。在40mC/cm2的电荷密度下，匹罗卡品通常可以达到90分钟的仅约1-4nL/min/腺体的平均出汗速率，这仅是360nL/min/剂量或更少的产生或刺激的汗液量。事实上，即使是一半剂量，24小时观察到的平均出汗速率高于1nL/min/腺体(大于2nL/min/腺体平均值)。
实施例2
在8名受试者中，使用卡巴胆碱刺激汗液四次，如表4中详述，并且另外一次使用匹罗卡品刺激。将刺激区域分成两个圆形测试部位，面积为0.88cm2，相隔约1英寸，这提供了1.76cm2的总刺激面积。表4中的卡巴胆碱剂量显示为与商业Wescor Nanoduct产品施加的匹罗卡品的电荷密度相比所施加的电荷密度的百分比，其电荷密度为42mC/cm2。使用0.28mA/cm2的电流和42mC/cm2的电荷密度在150秒内给予匹罗卡品，其递送约90.65μg/cm2。
表4
Figure BDA0002023536210000081
*理论上的最大量，实际上小于递送总量的30％被实际递送。
通过重量测试确定出汗速率。将滤纸称重，在特殊设计的丙烯酸固定器下放置在受刺激和对照部位上10分钟，以防止来自邻近区域的汗液的任何毛细作用并防止蒸发。立即再次称量纸张，然后计算汗液产生速率。重量测试的结果绘制在图4-6中。另外，一旦出汗速率降至1nL/min/腺体以下，三名受试者接受三次连续剂量的12.5％的卡巴胆碱。对受试者1-3的重复刺激测试的结果分别绘制在图7A-7C。
结果可以用几种方式解释。从基本的角度来看，该结果提供了由对AChE的代谢微弱或不敏感的胆碱药剂(cholinergenic agent)诱导的出汗的长持续时间和受试者间变异性的见解。特别地，结果显示了在卡巴胆碱的单次离子电渗疗法剂量之后的持续出汗，这比通常观察到的匹罗卡品的结果长得多。
从应用的角度来看，这里实现的出汗反应的持续时间和程度对于休息的个体的可穿戴的汗液生物传感非常重要。卡巴胆碱现在为需要连续24小时或更长时间测量汗液中分析物的应用提供了潜在的选择。
结果表明，可以在对受试者的压力更小的情况下产生更大量的汗液样品(例如，不需要延长的热负荷)。其次，较大分子量和亲水性分析物经历稀释，这取决于汗液产生速率。因此，结果描绘了收集窗口，其中汗液产生速率可以相当稳定，因此可以预测分析物稀释。
虽然一半受试者在单次100％剂量下以大于1nL/min/腺体出汗超过24小时，而一些受试者远远没有达到这个目标。四名受试者表现出大于24小时的出汗反应，三名受试者表现出持续超过48小时的出汗反应。出汗反应超过48小时是令人惊讶的，但同样令人惊讶的是对于其他一些受试者，出汗反应非常短。
三次重复的12.5％剂量刺激数据代表了即使对于具有短刺激反应的受试者也实现超过24小时局部刺激的技术解决方案。特别地，检查原始数据单剂量实验，12.5％刺激显示8名受试者中的5名表现出大于0.1nL/min/腺体的刺激出汗反应超过8小时。其他受试者(受试者e、g、h)在100％剂量下至少显示大于1nL/min/腺体超过7小时。因此，如果刺激物以每剂量100％或更少给药3至4次或更少，则该研究中的所有受试者应实现超过24小时的汗液刺激。可以利用较小的刺激和汗液取样区域来抵消由于重复给药而增加的卡巴胆碱剂量。
已经相当详细地描述了特定实施方式以说明所公开的发明，该说明书并非旨在限制或以任何方式限制所附权利要求的范围于这些细节。本申请讨论的各种特征可以单独使用或以任何组合使用。本领域技术人员容易想到其他优点和修改。因此，本申请在其更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节、代表性装置和方法以及说明性示例。在不脱离本申请总体构思的范围的情况下，可以偏离这些细节。

Claims (33)

1.一种用于刺激和感测汗液的方法，其包括：
将汗液刺激物施加至皮肤有效地以至少0.1nL/min/腺体的产生速率产生汗液，持续时间为6小时或更长，其中施加包括施加等于或小于2mC/cm2/天的电荷密度；
从所述皮肤收集汗液样品；以及
接收所述汗液样品中的分析物的特征测量值。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述产生速率大于0.2nL/min/腺体。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述产生速率大于0.5nL/min/腺体。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述产生速率大于1nL/min/腺体。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述产生速率大于2nL/min/腺体。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述产生速率大于5nL/min/腺体。
7.如权利要求1所述的方法，其中施加步骤包括施加等于或小于1mC/cm2/天的总电荷密度。
8.如权利要求1所述的方法，其中施加步骤包括施加小于20mC/天的电荷。
9.如权利要求1所述的方法，其中施加步骤包括施加小于8mC/天的电荷。
10.如权利要求1所述的方法，其中施加步骤包括施加小于4mC/天的电荷。
11.如权利要求1所述的方法，其中施加步骤包括施加小于2mC/天的电荷。
12.如权利要求1所述的方法，其中施加步骤包括施加小于1mC/天的电荷。
13.如权利要求1所述的方法，其中每个腺体产生的汗液量大于5600nL/腺体/剂量。
14.如权利要求1所述的方法，其中每个腺体产生的汗液量大于2800nL/腺体/剂量。
15.如权利要求1所述的方法，其中每个腺体产生的汗液量大于1400nL/腺体/剂量。
16.如权利要求1所述的方法，其中每个腺体产生的汗液量大于700nL/腺体/剂量。
17.如权利要求1所述的方法，其中每个腺体产生的汗液量大于350nL/腺体/剂量。
18.如权利要求1所述的方法，其中所述汗液刺激物包括卡巴胆碱。
19.如权利要求1所述的方法，其中所述汗液刺激物包括乙酰甲胆碱。
20.如权利要求1所述的方法，其中所述汗液刺激物包括氨甲酰甲胆碱。
21.如权利要求1所述的方法，其中所述汗液刺激物包括毒蕈碱。
22.如权利要求1所述的方法，其中所述汗液刺激物包括匹罗卡品。
23.如权利要求1所述的方法，其中施加所述汗液刺激物的步骤还包括给予所述汗液刺激物的代谢的局部抑制剂。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述局部抑制剂是乙酰胆碱酯酶抑制剂。
25.如权利要求1所述的方法，其中所述汗液刺激物包括多个能汗液刺激化学物。
26.如权利要求1所述的方法，其中施加所述汗液刺激物的步骤包括直接地刺激汗液。
27.如权利要求1所述的方法，其中施加所述汗液刺激物的步骤包括间接地刺激汗液。
28.如权利要求1所述的方法，其中收集所述汗液样品包括从腺体收集所述汗液样品，所述汗液样品是由所述汗液刺激物直接导致的汗液。
29.如权利要求1所述的方法，其中收集所述汗液样品包括从腺体收集所述汗液样品，所述汗液样品是由所述汗液刺激物间接导致的汗液。
30.如权利要求1所述的方法，其中施加包括施加单一剂量的所述汗液刺激物，并且其中持续时间超过24小时。
31.如权利要求1所述的方法，其中施加包括施加单一剂量的所述汗液刺激物，并且其中所述持续时间超过30小时。
32.如权利要求1所述的方法，其中所述持续时间为12小时或更长时间和施加一次以上的所述汗液刺激物的剂量。
33.如权利要求32所述的方法，其中所述持续时间为24小时或更长时间。
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