Development of a wearable biosensing platform for cortisol detection in sweat towards continuous mental health monitoring

The always increasingly frantic and highly demanding lifestyles of the twenty-first century are creating health issues that are not very easy to be noticed at a first glance. When a person is exposed to stress, its body reacts initiating a sequence of physiological processes aimed at the preservation of the well-being. Stressful events, being them psychological or physical, are called stressors and, if short-lasting and sporadic, lead to a beneficial physiological feedback. If stressors, however, are prolonged in time, the usual body’s responses are disrupted. This can lead to serious health problems such as major depression, anxiety, nervous breakdown, or Cushing’s and Addison’s diseases. By 2030 these conditions are expected to be the leading health issues in developed countries. While other conditions like cancer, Alzheimer’s disease or obesity are constantly addressed in prevention or awareness campaigns, mental health and its corresponding issues are still accompanied by stigma and shame. Moreover, mental health diagnosis still relies on patient self-reports. At the moment, indeed, there is a lack of diagnostic devices able to evaluate someone’s mental health, differently from illnesses such as diabetes or hearth conditions, for which are available, respectively, the glucometer and the electrocardiograph. It is clear how the technical gap and social distance from mental issues will create an unbearable problem in developed societies in the long term. One possible way to quantitatively and experimentally assess someone’s mental heath is through the measurement of cortisol. Cortisol is known to be a stress biomarker: when someone is exposed to stressors, a complex metabolic pathway is activated leading to an increased secretion of cortisol. When the stress exposure becomes chronic, not only the biomarker’s levels rise, but also its trend, which in normal conditions follows a circadian rhythm, is altered. Therefore, the continuous monitoring of cortisol can allow for the evaluation of someone’s stress conditions and mental wellness, preventing serious health problems. The stress biomarker is found in different concentrations in all body fluids. Its collection and analysis in all the different sources have been extensively investigated and validated. One of the most interesting cortisol sources is sweat. Even if the concentration of cortisol in sweat is the lowest among the various sources, its collection and analysis can allow for non-invasive and continuous cortisol control. Moreover, a biosensor could be developed in a wearable fashion in order to achieve an ideal point-of-care device for mental health monitoring. In this work, two different biosensing platforms for cortisol detection in sweat have been designed, developed, manufactured, and tested. This study has been carried out in the research laboratory of Professor Zhenan Bao at Stanford University and it has been included in two projects: “Initiative on Flexible Electronics Translational Research at Stanford University”, in collaboration with the Beijing Institute of Collaborative Innovation (BICI) and “Effective, Scalable and Affordable Strategies for Mental Health”, founded by the Stanford Catalyst for Collaborative Solutions. The main aim of this project has been the development and validation of two different biosensing platforms able to detect and quantify cortisol in sweat, to be then implemented in a wearable biosensor for mental health monitoring. The first biosensor developed is based on a label-free competitive immunoassay process as recognition mechanism and an extended gate field effect transistor as sensing platform. This technology not only could allow for sensitive and selective cortisol analysis in sweat, but it is also well suited for electronics integration in already available wearable sensing platforms. Different combinations of analog-antibody pairs, as well as different set-up configurations, have been investigated to optimize the system. In this technology, two measurement techniques for cortisol detection and quantification have been explored. The optimized set-up allowed for the detection of cortisol’s concentration of 100 µg/mL. The obtained limit of quantification, however, is still too low for practical applications and more studies have to be done in order for this technology to become employable in wearable biosensors. The second platform developed hinges on the electrochemical detection of cortisol through voltammetric measurement. Electrochemical measurements for analytes quantification are a well known and mature technique. They allow for very low limits of detection as well as stability and selectivity. For this biosensing technology a new electrode system in laser-induced graphene has been developed and tested. The flexible electrode system allowed for the detection of cortisol in concentrations as low as 1 nM, which can already permit for real applications on biological samples. Further design optimization, however, is still needed to allow for the platform implementation in wearable devices. These results suggested that cortisol biosensing in sweat for wearable applications is feasible and may be a promising technology for point-of-care monitoring of mental health conditions.

Gli stili di vita sempre più frenetici ed esigenti del ventunesimo secolo stanno creando problemi di salute difficilmente notabili a prima vista. Quando una persona è esposta a eventi stressanti, il corpo reagisce innescando una serie di processi fisiologici finalizzati al mantenimento dello stato di salute. Eventi che inducono a una situazione di stress, sia esso psicologico o fisico, chiamati stressori, se di breve durata e sporadici, portano a una risposta fisiologica benefica. Se questi stressori, tuttavia, si prolungano nel tempo, le normali risposte del corpo sono interrotte. Ciò può portare a gravi problemi di salute come depressione cronica, ansia, esaurimento nervoso o sindromi di Cushing e Addison. Entro il 2030 si prevede che queste patologie saranno le principali cause di problemi legati alla salute dei paesi industrializzati. Mentre altre condizioni come il cancro, il morbo di Alzheimer o l’obesità sono costantemente affrontati in campagne di prevenzione o sensibilizzazione, la salute mentale e i suoi corrispondenti problemi sono ancora accompagnati da stigma e vergogna. Inoltre, la valutazione della salute mentale si basa ancora su rapporti compilati dai pazienti. Al momento, infatti, mancano dispositivi diagnostici in grado di valutare lo stato di salute mentale, a differenza di patologie quali diabete o disturbi cardiaci, per i quali sono disponibili, rispettivamente, il glucometro a monitoraggio continuo e l’elettrocardiografo. È chiaro come il divario tecnico e il distanziamento sociale dai problemi mentali, nel lungo termine, creeranno un enorme problema nella società. Un possibile metodo per valutare quantitativamente e sperimentalmente la salute mentale di un individuo è la misurazione dei livelli di cortisolo. Il cortisolo è un ormone steroideo noto per essere un biomarcatore dello stress: quando qualcuno è esposto a fattori stressanti, viene attivato un complesso processo metabolico che porta a una maggiore secrezione di cortisolo. Quando l’esposizione allo stress diventa cronica, non solo il livello di cortisolo cambia, ma anche il suo andamento giornaliero, che in condizioni tipiche segue un ritmo circadiano, è alterato. Il monitoraggio continuo del cortisolo può pertanto consentire la valutazione dei livelli di stress e del benessere mentale di un individuo, prevenendo gravi problemi di salute. Questo biomarcatore dello stress si trova in diverse concentrazioni in tutti i fluidi corporei. La raccolta e l’analisi dello stesso, dalle sue diverse fonti, sono state ampiamente studiate e validate in relazione all’esposizione a eventi stressanti da parte di un essere umano. Una delle fonti di cortisolo più interessanti è il sudore. Anche se la concentrazione di cortisolo nel sudore è la più bassa tra quelle nei diversi fluidi corporei, la sua raccolta e analisi possono consentire una valutazione continua e non invasiva dei livelli di del biomarcatore di stress. In aggiunta, la realizzazione di un sensore indossabile permetterebbe di ottenere un dispositivo per test rapidi e autodiagnostici della salute mentale. Nel presente lavoro sono state progettate, sviluppate e testate due diverse piattaforme di biosensing per la rilevazione del cortisolo nel sudore. Questo studio è stato condotto nel laboratorio di ricerca della Professoressa Zhenan Bao, presso la Stanford University, ed è stato incluso in due progetti: “Initiative on Flexible Electronics Translational Research at Stanford University”, in collaborazione con il Beijing Institute of Collaborative Innovation (BICI) e “Effective, Scalable and Affordable Strategies for Mental Health”, finanziato dallo Stanford Catalyst for Collaborative Solutions. Il principale obbiettivo di questo progetto è stato lo sviluppo e la validazione di due differenti piattaforme di biosensing, in grado di rilevare e quantificare il livello di cortisolo nel sudore e la loro implementazione in un biosensore indossabile per il monitoraggio della salute mentale. Il primo biosensore sviluppato si basa sulla tecnica di dosaggio immunologico competitivo "label-free" (label-free competitive immunoassay) come meccanismo di riconoscimento e su un transistor a effetto di campo con gate esteso come piattaforma di misurazione. Questa tecnologia non solo potrebbe permettere di ottenere analisi a elevata specificità e sensibilità del cortisolo nel sudore, ma è anche adatta all'integrazione in dispositivi elettronici di biosensing già disponibili. Diverse combinazioni di coppie analogo-anticorpo e configurazioni del set-up sperimentale sono state studiate per l’ottimizzazione del sistema. Per questa tecnologia sono state investigate due tecniche di misurazione per il rilevamento e la quantificazione del cortisolo. Il set-up ottimizzato ha permesso il rilevamento di concentrazioni di cortisolo pari a 100 µg/mL. Il limite di quantificazione ottenuto, tuttavia, è ancora troppo basso per applicazioni pratiche e altri studi dovranno essere condotti affinché questa tecnologia diventi utilizzabile in biosensori indossabili. La seconda piattaforma sviluppata si basa sul rilevamento elettrochimico di cortisolo mediante misurazione voltammetrica. Le misure elettrochimiche per la quantificazione di diversi analiti sono una tecnica ben nota e matura. Queste misurazioni permettono di ottenere limiti di rilevazione molto bassi, nonché stabilità e specificità. Per questa tecnologia di biosensing è stato sviluppato e testato un nuovo sistema di elettrodi in grafene indotto da laser. Il sistema di elettrodi flessibile ha permesso di rilevare cortisolo in concentrazioni fino a 1 nM, già sufficiente per accedere a concentrazioni fisiologicamente rilevanti. Un’ulteriore ottimizzazione del design, tuttavia, è ancora necessaria per consentire alla piattaforma di essere implementata in dispositivi indossabili. Questi risultati suggeriscono che il biosensing di cortisolo nel sudore in forma di sensore indossabile è realizzabile e potrebbe essere una promettente tecnologia per il monitoraggio delle condizioni di salute mentale in maniera rapida, autodiagnostica ed economica