生物标志物的生物传感器监测space-induced心血管老化
埃米尔Rehnberg
1、2
__,
Katrijn Quaghebeur1、3
__,
Bjorn Baselet
1,
尼古拉斯·拉詹
1,Tarek Shazly4,
洛伦佐莫洛尼
5,
莎拉Baatout
1、2、3和
凯文Tabury
1、4*- 1放射生物学单位,比利时核研究中心(SCK岑),摩尔,比利时
- 2根特大学分子生物学系,比利时根特
- 3物理学和天文学部门、学院科学、KU鲁汶比利时鲁汶
- 4生物医学工程系,工程和计算机学院,南卡罗来纳大学哥伦比亚,美国SC
- 5复杂的组织再生,MERLN杨文再生医学研究所马斯特里赫特,荷兰马斯特里赫特大学
人类在太空中发现了一些健康问题相关的空间环境,为未来的太空任务需要解决。充满敌意的空间环境包括辐射、微重力引起各种病理生理效应。其中有条件相关的心血管系统。心血管系统显示了功能失调和退化状态,类似于地球上的老化,一旦暴露在空间环境。作为我们的目标是再太空任务月球,火星,因此到外层空间,更好地理解,监控,这些加速老化过程和发展对策是必要的。生物标志物及其集成到传感器因此成为重要的工具来理解底层机制,发展对策和监测心血管老化加速。在本文中,我们将提供一个简要的概述空间环境及其对人体心血管系统的影响。我们列出已知的潜在心血管老化相关生物标记物的空间以及我们当前的知识心血管老化的潜在机制。我们还在更详细的探索各种生物传感器使用,规格,以及芯片实验室系统的发展是至关重要的这些生物传感器跟踪心血管老化在即将到来的太空任务。
1介绍
探索太阳系和超越人类已经超过60年。众多的社会福利已经发展在过去的几十年中从研究使太空探索,改善我们的生活在地球上。太阳能电池板;气象预报;卫星通信;能量储存;回收和废物管理;先进的机器人;遥远的医学干预和监测只是几个例子太空探索如何提高我们的日常生活(ISECG, 2013;继续联系,2022)。 Space exploration will continue to be an important driver for opening up new domains in science and technology, providing immediate benefits to Earth. Although the space environment enables innovations, it is also harmful to humans. One example of a health hazard encountered by astronauts is the ageing-like effects of the cardiovascular system during long-duration spaceflights (Baran et al ., 2022)。在太空微重力和电离辐射的存在会导致炎症,DNA损伤,以及改造的人类心脏和循环系统(Hughson et al ., 2018;Baran et al ., 2022)。在未来,太空任务,这些因素的影响很重要需要考虑。使用生物标记和生物传感器,允许事先对个体易感性预飞和监测健康的影响在飞行中的任务将成功的太空任务的关键(又et al ., 2018)。因此重视开发生物传感器监测心血管老化之前,期间和之后这些任务保护宇航员和更好地了解老化效果(ISECG, 2013;泰利斯集团,2020年)。
在地球上,人口老龄化是一个最重要的人口和社会变化,观察到在过去的十年。年龄是心血管疾病的主要危险因素,是欧洲领先的死因(1790万人死亡,或所有死亡人数的32%)(,2022)。老化是一个复杂的过程,慢慢积累细胞和分子事件。一般老化的特征是衰老的9个特征,包括基因组不稳定性,端粒摩擦,表观遗传改变,proteostasis, nutrient-sensing特异表达,线粒体功能障碍,细胞衰老,改变细胞间通信和干细胞的疲劳(Lopez-Otin et al ., 2013)。每个标志与一些内在和外在因素和发展通过这些特点导致衰老的过程。最终导致细胞健康和减少器官退化和疾病(Lopez-Otin et al ., 2013;古德et al ., 2018)。因此,生物传感器监测心血管老化都是对地球和太空探索。
在本文中,我们简要介绍了空间环境及其对人体心血管系统的影响。我们总结的底层机制的认识心血管老化和已知的心血管老化相关的潜在生物标记物空间。我们进一步讨论不同的生物传感器的使用,他们的需求,以及芯片实验室系统中扮演着重要的角色在这些生物传感器的发展监测心血管老化在未来的太空任务。
2空间环境
“空间环境”这一术语指的是广泛的空虚,弥漫宇宙的(相对)贫瘠的地区,超出任何行星的大气和地表或其他天体(Horneck et al ., 2015)。这是一个真空,对象遇到不同的辐射类型和品质以及引力场。重力水平和辐射剂量中遇到地球周围空间的表示图1
图1。遇到了在空间微重力、辐射以及载人航天的五大危害。复制从莫洛尼et al。(2022)从Elseviere许可。
2.1微重力
由于地球的质量,对象体验引力拉向地球的中心。在低地球轨道(200 - 2000公里高度)(乔戈Yuchnovicz, 2015),比如在国际空间站(ISS);平均海拔400公里),宇航员仍受到大约90%的地球表面重力感觉(1 g) (小鹿斑比,2018)。然而,由于航天器的轨道位置和速度宇航员所在,这种剩余重力平衡,使宇航员体验微重力。研究细胞是如何影响他们的物理环境称为力学生物学。在力学生物学过程叫做转导机械信号的转换成生化信号触发后续信号级联。人类已经适应进化到地球上发现的重力水平,细胞和组织内稳态也依赖于重力。因此,重力水平变化(微重力、0.17 g在月球或火星上0.376 g)会影响转导影响细胞功能和功能障碍(Demontis et al ., 2017;布拉德伯里et al ., 2020)。微重力对心血管系统的影响的一个例子是流体分配向上半身和头部,导致心血管去适应作用随着时间的推移,(Demontis et al ., 2017),类似于加速老化(盖洛et al ., 2020)。
2.2空间辐射
空间辐射电离辐射的形式包含质子,高度紧张的能源(HZE)核和电磁辐射。形成一个复杂的光谱的高收入和低能量转移(让)辐射(Cucinotta et al ., 2010;Baran et al ., 2022)。生活在地球上,是通过粒子偏转免受有害空间电离辐射由于地球的磁气圈和屏蔽的气氛。国际空间站仍在地磁场的保护,但不再是屏蔽的气氛。因此,国际空间站内的平均剂量率测量是地球上高出许多,但仍小于1毫西弗/天。因此产生的生物效应小,即使是长期的任务(杜兰特和Kronenberg, 2005)。超越地球低轨道(LEO),空间辐射的特征是一个常数,各向同性的银河宇宙射线(GCR)和偶尔的高剂量率的太阳粒子事件(spe) (Boerma et al ., 2015)。
GCR主要由氢(H;87%),氦(他;12%),和小的分数氖(Ne),硅(Si)、钙(Ca)和铁(Fe) (杜兰特和Kronenberg, 2005)。Ne、硅、钙、铁表现为HZE核,以相对论速度移动。他和HZE核high-LET辐射类型能量从10兆电子伏50 GeV / n / n (Norbury et al ., 2016;帕特尔,2020)。平均核可以穿透几十,几百个厘米的水或铝,因此不能阻止任何合理的屏蔽的一个典型的飞船(蔡et al ., 2013)。可以区分两种不同类型的GCR:中小学离子。当主GCR离子撞击目标核,核相互作用导致轻二级产品失去能量。这使得二级产品能够渗透到材料更深。在深太空、粒子通量或组织剂量在0.3和0.6之间mGy /天或1和1.8毫西弗/天(Norbury et al ., 2016)。当前推荐职业接触仅限于20 mSv /年(检查者,2008)。因此,GCR形成一个主要的健康威胁未来的人类探索任务,超越狮子座GCR占很大一部分的辐射剂量累积由宇航员(总理et al ., 2014)。
spe发生当太阳放射出的质子加速由于太阳耀斑和日冕物质抛射冲击。这些事件负责不可预测,大等离子云的重离子和高能质子引起的突然爆发的辐射和宇宙飞船外(总理et al ., 2014;帕特尔,2020)。除了质子,spe可以包含较小的原子核和HZE粒子的分数。质子的能量流动可以用速度扩展100几百兆电子伏之间的450和700 km / s (Miroshnichenko 2015)。然而,事件,事件之间的能量和速度。粒子通量可以在0 - 100之间波动mGy / h和0 - 0.5 Sv / h /小时(几天Boerma et al ., 2015;Norbury et al ., 2016)。这些粒子,而工艺、低能量和允许,允许屏蔽对spe GCR(更有效率蔡et al ., 2013)。虽然罕见,由火星科学实验室记录五个spe 253日火星任务(蔡et al ., 2013)。这些调查结果引发担忧human-rated任务火星和月球上永久性机构。
此外,宇宙飞船也可以体验范艾伦辐射带时通过他们。范艾伦辐射带由一个内部和外部带。内部辐射带(海拔1000到9650公里)由太阳产生的高能质子和电子。外带(海拔13000到60000公里)包含来自宇宙射线粒子,被困在地磁场所带的(李和哈德逊,2019年)。
美国国家航空和宇宙航行局(NASA)和欧洲航天局(ESA)已经确定了四个,人类面临最严重的生物医学风险暴露在空间辐射。这些主要风险包括退行性组织的影响(包括心血管疾病),致癌作用,遗传效应和急性辐射综合症(总理et al ., 2014;尼尔森,2016;帕特尔,2020)。
3模拟空间环境地面模拟
外层空间是困难的和非常昂贵的到达,地面模拟空间研究是至关重要的。几种方法来模拟微重力地球上可用,如卧床休息,干浸,下降塔,抛物线飞行,回转器,和随机定位机(RPM) (Baran et al ., 2022)。卧床休息允许在人体长期接触减少重力通过卸货重量和流体转变使用头倾斜床(Pavy-Le Traon et al ., 2007;李普尼基和Gunga, 2009;Tomilovskaya et al ., 2019)。在干浸,参与者沉浸在水,同时避免使用塑料布润湿。这些研究通常范围从5到56天。通过体重卸货,这种类型的研究可以快速、准确地诱导的大部分生理效应由宇航员在短期飞行经验(这本书和查尔斯,2015年;Tomilovskaya et al ., 2019)。然而,卧床休息和干浸不完全模拟微重力人体仅仅经历一种“卸货重量。“真正模拟微重力方法是利用降塔或抛物线飞行航天模拟。下塔的中心应用空间技术和微重力在不莱梅可以提供一段自由落体的5 s从110米的高度(塞利格et al ., 2010)。抛物线飞行可以获得稍长时间的微重力从20到25。这里,飞机飞重复抛物线轨迹导致短期的时期hypergravity阶段(1.8 g)和自由落体阶段(0 g) (Shelhamer 2016)。相对slow-responsive生活物品,如植物、微生物或细胞、更长时间的微重力可能提供回转器和RPM。RPM产生一个连续随机取向的变化。这样,平均重力矢量生物体经历,随着时间的推移,可以达到0.001克(Borst房龙,2009年)。同样的,2 d和3 d回转器的工作原理是一样的,但他们在一个或两个轴旋转(Russomano et al ., 2005)。
在狮子座的辐射剂量非常小(≤1毫西弗/天),由于空间辐射生物效应航天飞机等空间实验室和空间站都很小,甚至低于一些实验检测阈值(杜兰特和Kronenberg, 2005)。出于这个原因,大多数当前的知识空间辐射的生物效应是基于实验进行地面加速器。这样的加速器能够生成粒子质子束,离子,中子和光子(隐秘et al ., 2011)。地面加速器,可以产生高能(< 2 GeV / n)、低能耗(> 15兆电子伏/ n)离子,和x射线(< 6 Gy /分钟)辐射(杜兰特et al ., 2010)。其他设备能够产生还有辐射如γ或x射线在模拟空间辐射进一步发挥至关重要的作用在生物实验(Delp et al ., 2016;Norbury et al ., 2016)。
尽管微重力的影响和电离辐射生活对象一直得到广泛的研究在过去的几十年中,同时接触,特别是慢性低剂量暴露,是有限的。我们先前描述了这样一个试验装置使用252年Cf中子源和一个RPM (聚苯胺et al ., 2016),一个概念的进一步发展高桥et al。(2020)。通过使用下肢模型作为模拟微重力(Globus Morey-Holton, 2016啮齿动物微重力和辐射),同时也是新兴(Bellone et al ., 2016;Sadhukhan et al ., 2021)。
4心血管老化
衰老是一个自然和单一性的过程,其中包括几乎所有器官系统的逐步恶化随着时间的推移在人体(Sprott 2010;瓦格纳et al ., 2016)。因此,老龄化是底部的几乎每一个非传染性疾病,比如癌症、糖尿病、神经系统疾病,心血管疾病,后者是世界上疾病负担的主要原因(Sprott 2010;瓦格纳et al ., 2016)。
心血管疾病死亡的主要原因是工业化的世界。老年人口,心血管疾病的发病率和心血管死亡率就会成指数级增长。这表明,年龄是心血管疾病的主要危险因素(戴et al ., 2012 a)。此外,全球生育率下降通常认为增加寿命在繁殖期间由于能量和代谢成本结合生殖基因增加死亡率在以后的生活中(Kuningas et al ., 2011)。一起增加寿命耦合改善诊断和治疗程序,世界人口老龄化(Steenman朗德,2017年)。因此,全球心血管疾病患病率增加(Lakatta 2003)。心血管老化的定义是一个缓慢、渐进的心脏结构改变和功能下降与年龄(戴et al ., 2012 b;燕et al ., 2021),带来的外在(环境和生活方式)和内在(如基因)因素(Lopez-Otin et al ., 2013)。因为有明显的年龄和心血管疾病之间的联系,更好的了解背后的生物机制和流程心血管老化可能有助于预防和治疗老年性心血管疾病。通过这种方式,它可以帮助延长寿命,降低增加负担由于心血管疾病经验丰富的老年人口(Steenman朗德,2017年)。
心血管老化似乎特定生物性别(凯勒和Howlett, 2016年;罗杰斯et al ., 2019)。例如,生理性别差异在预期寿命老化已经明显,女性平均一个额外的4.8年与男性相比。事实上,男人和女人有不同的生理系统,调节血管功能和性激素负责最明显的内分泌变化与衰老有关。众所周知,男性显示增加的不良心血管事件相比,绝经前妇女。然而,这一统计数字颠倒绝经后由于雌激素等保护雌性激素的下降(菲律宾人质贾丝廷娜et al ., 2021)。尽管如此观察,生物性别心血管老化的机制尚不清楚。
内在心血管老化的过程,诱导体内平衡,是由慢性炎症和氧化应激,这加剧了端粒的缩短,表观遗传漂移,衰老,线粒体功能障碍,干细胞疲惫,基因组不稳定性(古德et al ., 2018)(图2)。
图2。之间的交互主要导致心血管老化细胞和分子的变化。使用BioRender创建。缩写:活性氧,活性氧;SASPs衰老相关分泌表型;抑制,有关分子模式。
慢性炎症,通常表现为长期的低级的方式,与特异表达炎性介质、细胞因子、趋化因子、细胞氧化还原状态的变化和细胞死亡信号通路(钟et al ., 2006)。在免疫系统的一个关键组成部分炎症过程(费鲁奇Fabbri, 2018),无菌炎症也有一个重要的角色。“无菌炎症”一词是指炎症发生在缺乏微生物和细胞物理或化学的结果产生伤害,但也可以来源于自身免疫性疾病和暴露于过敏原(岩石et al ., 2010)。因此,无菌炎症发生在有关分子模式(抑制)释放到细胞外环境中由于细胞死亡(凋亡或坏死)(陈和涅斯,2010年)。
氧化应激是指生产的增加活性氧(ROS)的相对生物利用度的抗氧化防御系统(Donato et al ., 2015;雷et al ., 2017)。这些活性氧有强氧化性特征,是高度不稳定,很容易与其他分子反应在几微秒(施密特et al ., 2014)。因此,活性氧对细胞造成损害组件和损伤的积累被认为是驱动老化的主要过程(戴et al ., 2012 a)。细胞抗氧化系统,抵消ROS包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶。然而,这些系统是非常复杂的,和遗传操作这些系统组件已经导致了许多不一致的结果(戴et al ., 2012 a)。通过在细胞核中过氧化氢酶的过度表达,不过,过氧物酶体,或转基因小鼠线粒体,看到老鼠overexpressing线粒体过氧化氢酶延长寿命控制老鼠相比。ROS主要产生在线粒体,线粒体功能障碍由于自由基损伤在衰老中起着核心作用(Schriner et al ., 2005)。尽管低浓度通过刺激细胞ROS可能有利于细胞的防御机制来减少细胞损伤,高水平的活性氧导致严重的细胞损伤和炎症反应(Yun,芬克尔,2014年)。心脏是已知有更高的基底耗氧量和产生更多的活性氧相比其他组织(Goffart et al ., 2004)。因此,氧化应激中起着至关重要的作用在心血管老化(雷et al ., 2017)。
生产自由基是一种常见的氧化应激源。生产自由基导致脂质过氧化作用,产生一个复杂的混合包含许多亲电子方面的产品(Marnett 1999)。这些产品之一是丙二醛(MDA),通常被用来作为生物标志物的脂质过氧化和扩展,老化(木星et al ., 2020)。MDA已被证明是基因毒性和诱变和进一步提高水平,患者年龄相关疾病(莫汉蒂et al ., 2022),包括心血管老化(伊索拉et al ., 2019)。MDA生产被证明能增加小鼠的心经历心肌功能障碍由于尾部(梁et al ., 2019;梁et al ., 2020)以及血清的老鼠经历辐射诱导心肌损伤(库那et al ., 2019)。细胞衰老也一直与衰老有关,包括心血管老化(Campisi 2013)。细胞衰老的作用是诱导组织重构,删除不需要的细胞。这通常是通过首先,增殖抑制随后招聘相关的衰老的免疫细胞通过分泌分泌表型(SASP)。按顺序,祖细胞动员和改造组织(Munoz-Espin和塞拉诺,2014年)。因此,细胞衰老是正常和必要的防御机制在组织损伤后应对疾病。然而,在晚期疾病不有效地清除衰老细胞,导致少不必要的功能细胞随着时间的累积,促进疾病(Campisi 2013;Munoz-Espin和塞拉诺,2014年)。可以诱导细胞衰老的各种因素。其中最常见的是DNA损伤(Zglinicki et al ., 2005),端粒缩短(贝纳et al ., 2016),CDKN2A表达式(•et al ., 2004)、活性氧诱导应力(陈et al ., 1995)、癌基因激活(塞拉诺et al ., 1997),如前所述SASP分泌(Kuilman嘀咕的,2009)。细胞衰老是常与错误折叠的蛋白质和细胞细胞器的功能障碍,导致氧化应激、细胞死亡和炎症(Munoz-Espin和塞拉诺,2014年)。正如上面提到的,线粒体功能障碍是一种常见的病因和病理特征的心血管老化。线粒体是有氧呼吸的主要场所和生产的能量形式的ATP (van der Bliek et al ., 2017)。内生和外界刺激都可以导致线粒体受损或mtDNA成为突变。因为线粒体是细胞内活性氧的主要来源和SASP,线粒体功能障碍导致活性氧的增加产量(Schriner et al ., 2005;Correia-Melo et al ., 2016)。因此,这导致的氧化应激水平增加。进一步损害更多的线粒体,导致一个恶性循环驱动心脏细胞衰老Munoz-Espin和塞拉诺,2014年)。
此外,另一个心血管老化受损自噬的分子机制。自噬被称为生物过程负责受损细胞器的降解和回收和错误折叠的蛋白质。它助手细胞生存通过移除受损的细胞组件。过度的自噬水平,另一方面,促进细胞死亡(Shirakabe et al ., 2016)。心血管老化与受损的自噬水平相关联。因此,老龄化的心的特点是错误折叠蛋白质的积累和线粒体功能障碍(Taneike et al ., 2010)。
正如上面提到的,端粒缩短是一种已知的生物标志物的老化。端粒是真核细胞染色体末端的定位和由短DNA重复序列组成。这形成了一个特殊的帽子,提供基因组稳定和防止退化(布莱克本,1991)。端粒缩短当细胞分裂,最终导致永久性的DNA损伤和细胞衰老,因此导致老化(詹和Hagg, 2019)。然而,postmitotic心肌细胞是已知的,这意味着他们没有能力将在生物体的寿命,表明端粒缩短不大大有助于心肌细胞老化(丘鹬Matkovich, 2005;Baran et al ., 2022)。然而,发现氧化应激导致端粒长串优惠,此外,随着年龄的增长和积累有助于心血管老化(冯Zglinicki et al ., 1995)。
最后,导致基因组不稳定性包括三个主要变化:1)DNA损伤;2)突变;3)表观遗传变化,修改基因活动而不影响DNA序列(Paneni et al ., 2017)。因此,基因表达的变化(赫尔曼et al ., 2021)以及非编码rna与心血管老化的原因(Jusic et al ., 2022)。
4.1老化和飞行
老龄化和航天以同样的方式影响人类生理学。老化和长期暴露于微重力引起的下降几乎每一个人体器官系统的功能,包括心血管退化。表明宇航员在太空飞行时,年龄比在地球上快(Nicogossian et al ., 2016;Hughson et al ., 2018)。例如,6个月航天宇航员的颈动脉硬化,增加符合一个或两个几十年的老化(地球上观察到的帕特尔,2020)。然而,宇航员返回地球后迅速从这些症状中恢复过来(Nicogossian et al ., 2016)。然而,观察到的功能下降的速度和恢复非常个人和在很大程度上取决于遗传、生活方式、性别和新陈代谢(Vernikos和施耐德,2010)。
暴露在空间辐射是一个众所周知的因素会增加罹患癌症的几率,甚至急性辐射疾病当传递到地球的磁气圈(Nicogossian et al ., 2016)。24月球的阿波罗宇航员是唯一的人类旅行超出了地球的磁气圈保护。他们的健康检查显示增加心血管疾病的死亡率(43%),而宇航员居住在狮子座(11%)或人类从未参加任何航天(9%)(Delp et al ., 2016)。死亡率的增加可能是由于接触、高辐射的宇航员在狮子座受到地球的磁气圈的保护(帕特尔,2020)。调查潜在的机制,小鼠暴露于模拟微重力和辐射。结果表明,接触HZE粒子(而不是失重)造成持续的血管内皮细胞功能障碍,可能由于基因变化和扰动造成的氧化还原代谢HZE核,导致氧化应激水平增加(Delp et al ., 2016;帕特尔,2020)。再次,增加氧化应激水平已经证明能刺激组织退行性变化,通常与衰老有关的症状,如白内障和心血管疾病(总理et al ., 2014)。此外,它提出了意识的重要性进行长期研究有关辐射对心血管系统的影响。特别是考虑到最不利影响心脏和血管只观察到暴露于电离辐射后几年甚至几十年(Boerma et al ., 2015)。详细介绍如何影响心血管系统空间描述Baran et al。(2022)。
4.2生物标志物的心血管老化
老龄化是定义为一个生物的生物标志物参数,单独或作为一个多元小组的一部分,可以监视一个潜在的与年龄相关的生物过程,而不是一种疾病的发展。生物标记物的老化也有能力预测老龄化水平比有机体的实足年龄和能力测试的存在生物标志物多次而不影响生物(Sprott 2010;正义et al ., 2018)。通过这种方式,无病者可以检测单参数在合理期限内(不到生物的寿命)。然而,寻找生物标记物的老化并不容易,因为他们需要脱离疾病的生物标记物。此外,随着老龄化的影响几乎所有的身体系统,一个单一的生物标志物,可以预测一个生物体的生理年龄大概不会被发现。它更有可能需要的生物标记(Sprott 2010)。瓦格纳等人审查小组可能的生物标记物,包括相关的物理性能,如身体质量指数和站人的平衡以及blood-based标记,如白细胞介素- 6和甲状腺激素,和分子或DNA标记DNA修复(包括端粒长度或瓦格纳et al ., 2016)。此外,正义等人调查258年blood-based候选人生物标志物为老化的实验目标与二甲双胍老化。一些建议的生物标志物包括il - 6, TNF-α受体I或II, GDF15和c反应蛋白(正义et al ., 2018)。另一方面,衰老细胞分泌特异性分子(SASPs)。例如,衰老成纤维细胞分泌上皮生长因子、炎性细胞因子和几个基质金属蛋白酶(Krtolica Campisi, 2002)。而心肌细胞和内皮细胞也分泌一些特异性炎性细胞因子(Bochenek et al ., 2016;唐et al ., 2020;Mehdizadeh et al ., 2022)。一个潜在的生物标记物可以在列表表1。
表1。潜在的生物标记物来衡量space-induced心血管老化。
5生物传感器
生物传感器是定义为一个独立的集成设备,能够提供具体的定量或半定量分析信息使用生物识别元素(生化受体),保留直接空间接触电化学转导元素(Thevenot et al ., 1999)。因此,生物传感器的两个主要组件是一个生化识别系统和物理化学传感器。生化识别系统将输入的生化领域(如离子载体、酶、抗体和细胞因子,在其他人)化学或物理输出信号。传感器将信息从生化受体转换成信号正比于分析物在样品的数量。不同类型的传感器是基于电化学原理(电流、电位或电导)、光学原理(吸收、反射、荧光),mass-sensitivity(压电),或热的原则(量热、热电)(Thevenot et al ., 1999)(图3)。生物传感器是一个重要的诊断工具现在已经在使用(例如,怀孕测试,快速抗原检测COVID-19)和收到增加无线点对非侵入性治疗的应用程序(Arumugam et al ., 2020;Heidt et al ., 2020)。
图3。生物传感器的组件——通常,生物传感器是由生物组件(生化受体如酶、抗体、细胞、核酸,或适体)、传感器(如半导体材料或纳米材料),这是一个身体部分需要的生化信号探测器,放大,改变成一个电信号,并显示它在某种程度上,人们可以理解,与信号放大器和电子系统,处理器和显示。使用BioRender创建。
5.1生物传感器对心血管老化
与年龄有关的疾病的早期发现早期治疗,特别是有关心血管老化,已经收到了加息,由于人口老龄化转变目前观察到的世界。当前生物传感器的心血管老化关注非侵入性的程序,使用物理性能(如血压、体重指数和心电图分析)(De Canniere et al ., 2020;朱et al ., 2022)或生理液体(主要是blood-based) (福尔克et al ., 2020;欧阳et al ., 2021)耦合到一个机器学习算法预测心血管风险评估(Arpaia et al ., 2021)。Blood-based生物标志物的生物传感器的心血管疾病目前已经广泛地查阅欧阳et al。(2021),因此没有进一步阐述。虽然描述生物传感器是有前途的,允许部分监测心血管疾病的患者,仍有需要新颖的敏感生物标记物和传感器技术,具体,易于使用,实时监控和负担得起的生物传感器(瓦格纳et al ., 2016)。此外,生物传感器的感应心血管老化由于暴露于微重力和/或辐射尚未广泛开发和值得进一步的研究(Kanapskyte et al ., 2021)。在表1总结的潜在生物标志物space-induced心血管老化可以找到一起提供检测方法和生物感应电离辐射和微重力环境下的骨质流失。
6 "
芯片实验室系统集成微机电系统用于使小型化生物和化学过程。通常使用微流控芯片实验室平台网络,使小型化和集成的复杂函数,允许自动化和替代笨重的实验室设备(Abgrall想,2007)。此外,小卷微流体的使用可以减少样品消耗和缩短运输时间,导致更快的反应时间。此外,设备的身体较小的足迹简化即时应用程序和支持应用程序领域。微流体组成的网络渠道在几微米到几百微米(Abgrall想,2007)。通常,这些设备是由玻璃、聚合物和硅。他们制造使用洁净室设备和芯片制造技术。因此,复杂的微-纳米结构可以被纳入设计。然而,最近使用的更广泛使用的技术,如3 d打印技术已经被用于制造状况(任et al ., 2013)。通过集成的泵、阀门、传感器和光学、等等,复杂的系统可以放在一起,可以用于许多目的。
6.1生物传感器和芯片实验室
芯片实验室系统已经广泛应用于生物医学研究的几种不同的目的(>佼佼者和Manz, 2006年;Neužil et al ., 2012)。小型化允许并行化和许多过程的组合,同时促进体积小处理,证明非常有用的生物过程。因此,芯片实验室系统最初用于应用程序像电泳,减少样本体积是可取的(>佼佼者和Manz, 2006年;Neužil et al ., 2012)。芯片实验室系统是更频繁地集成到生物医学研究,他们的应用程序扩展和现在常用的筛选、细胞分类、细胞封装,和单细胞分析等(古普塔et al ., 2016)。生物传感器是一个特别适合的应用实验室芯片(卢卡et al ., 2015;森古普塔et al ., 2019)。对于心脏的应用程序,免疫学检测已经纳入心血管疾病的生物标记物检测的微流控设备(默罕默德和Desmulliez, 2011;吴et al ., 2017)。标准分析实验室芯片可以自动化,已经使用了几个心脏标记物的检测如肌红蛋白、心肌肌钙蛋白I和c反应蛋白(默罕默德和Desmulliez, 2014;翁et al ., 2016;吴et al ., 2017)。通过加入光学设备,检测可以添加到相同的芯片。此外,芯片实验室系统可以用来进一步简化标准分析。阻止自由和标签自由心脏生物标记物的分析可以实现使用芯片实验室设备(北京et al ., 2011)。另一个应用程序的芯片实验室系统是基于特定细胞类型的检测生物标记物。作为一个例子,可以预测冠状动脉疾病的增加白细胞计数(格林et al ., 1985)。使用一个基于纸张的平台,Zhang et al。(2015)使用比色强度量化pre-stained白细胞,允许大幅较小的样本册相比,使用标准的检测方法。
6.2 Organ-on-chip (heart-on-chip)
Organ-on-chip系统micro-physiological系统能够模拟器官功能,因此可以用作在体外人体器官的模型。允许例如,更准确的疾病模型和药物测试(Zhang et al ., 2018)。生物传感器可以集成到organ-on-chip同样在",允许器官功能的实时监测和响应(Kratz et al ., 2019)。一般集成生物传感器可以测量氧气、葡萄糖、乳酸、细胞因子、反式内皮和上皮抵抗,电气和机械活动(Kratz et al ., 2019)。Heart-on-chips一直作为人类心灵的微环境的模型,因为它允许暴露的几个生理信号(阿加瓦尔et al ., 2013;王et al ., 2014;Marsano et al ., 2016;Zhang et al ., 2016;赵et al ., 2020)。生物传感器通常集成到heart-on-chips监测心脏的收缩性或电活动构造。赖et al。(2017)用力量探针测量悬臂梁的挠度heart-on-chip记录心脏活动同样为基础,陈et al。(2019)改性聚二甲基硅氧烷(PDMS)悬臂梁在heart-on-chip颜色改变会改变材料颜色在接触应变此外,使用一个基于水凝胶特定heart-on-chip室,赵et al。(2020)调查室具体应对不同的药物通过监测位移的锚定电极使用荧光显微镜。
7讨论
暴露在太空环境对人体造成一些负面影响。在许多其他器官,心脏和心血管系统尤其影响(Hughson et al ., 2018)。暴露于慢性微重力和空间辐射会导致心血管系统的老化,显著负面影响人类健康(Baran et al ., 2022)。四十年阿波罗计划后,Delp et al。(2016)在他们的研究显示,心血管疾病死亡率高4 - 5倍比non-flight阿波罗月球的宇航员和狮子座宇航员。宇航员表明刻下了“退化,包括身体健康,动脉硬化和胰岛素抵抗的发展。这是进一步加强流行病学研究,表明剂量> 0.5 Gy明显增加中风和心脏病的风险没有可能的缓解不利影响在低剂量(Hughson et al ., 2018)。因此,为了保持未来的宇航员的健康,这将是至关重要的能够预测和监控暴露在空间环境的影响,通过生物标志物的心血管老化之前,期间和之后的飞行。考虑到不断变化的空间辐射环境,监测这些生物标志物在飞行可能尤其重要能够正确诊断和保护宇航员在飞行(Cucinotta et al ., 2010;Boerma et al ., 2015;Demontis et al ., 2017)。因此,样本收集和分析需要尽可能的简单。当前可用的许多生物标志物的心血管老化因此不理想候选人动态监控,因为他们要么需要复杂的样本收集或困难分析(杜兰特,2005)。然而,这些可以更准确地评估飞行前的预测个体易感性。在飞行过程中,基于血液或者唾液的标志物是一个更高的利息,因为简单的样本收集和高可用性(Zuidema et al ., 2022)。SASPs因此成为有趣的候选人,因为它们与衰老表型关联密切,易于检测。非侵入性的生物标记物,如血压、体重指数,和心电图分析,可能也很重要,因为他们将允许频繁监视(De Canniere et al ., 2020;朱et al ., 2022)。虽然我们列出潜在的生物标记物,对微重力和辐射敏感,应该小心在解释。地球上这些生物标记物是基于实验的情况下,部分模拟空间环境。选择适当的生物标志物应因此验证实验在国际空间站。
需要考虑的另一个重要方面是生物传感器用于检测和分析。易用性和可移植性将高度重视设备的特点快速检测将在空间站是必要的和未来的月球和火星的太空任务(又et al ., 2018)。快速抗原检测和芯片实验室系统最小化设备的使用和促进自动化和快速检测(Gubala et al ., 2012;Heidt et al ., 2020)。因此,满足许多需求。开发这些类型的平台用于空间将有很高的潜力。同时,出于维持宇航员健康的需要,大量的生物医学和人类生理研究在太空提供了重大的发现,包括更好的知识基本生理过程,建立新的医疗技术和协议,现在地球上使用。目前,仍然有一个需要发展的小说和特定的生物传感器对心血管老化。研究和发展的一个特定的和敏感的生物标志物(套)和相应的生物传感器将大有益处和未来太空任务的关键以及地球上(瓦格纳et al ., 2016)。然而,由于缺乏空中人类新生物标志物的发现和测试样品的新颖的生物传感器是阻碍。开发的模型系统,如人类organ-on-a-chip系统因此可以帮助在生物标记物的发现和心血管老化的生物传感器的发展空间和地球上(Zhang et al ., 2018;低,Giulianotti, 2020年)。最后,创建一个模型系统心血管老化在太空在地球上使用的地面基础设施将是重要的发展和验证的生物传感器以及设计对策。
作者的贡献
ER和KQ写了初稿。BB和NR修改后的临时草案最终版本。TS、LM和某人监督的写作和修改后的最终版本。某人的资金。KT流线型的话题,准备数据和原始文本的最终版本。所有作者的文章和批准提交的版本。
资金
这项工作由ESA PRODEX支持格兰特冲动(PEA4000134310)。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
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关键词:生物传感器、太空探索、生物标记、实验室芯片、心血管老化
引用:Rehnberg E, Quaghebeur K, Baselet B, Rajan N, Shazly T,莫洛尼L, Baatout年代和Tabury K(2023)生物标志物的生物传感器监测space-induced心血管老化。前面。Sens。4:1015403。doi: 10.3389 / fsens.2023.1015403
收到:09年8月2022;接受:2023年1月17日;
发表:2023年2月3日。
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*通信:凯文•Taburyktabury@sckcen.be
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