Rano otkrivanje bolesti zahteva brzo, kontinuirano i praktično praćenje vitalnih biomarkera. Istraživači sa Nacionalnog univerziteta u Singapuru (NUS) i Agencije za nauku, tehnologiju i istraživanje (A*STAR) razvili su novi senzor koji omogućava kontinuirano i u realnom vremenu detekciju epidermalnih biomarkera u čvrstom stanju (SEB), novog kategorija zdravstvenih indikatora.
Zajednički predvode docent Liu Iukin sa NUS Instituta za zdravstvene inovacije i tehnologiju, kao i N.1 Instituta za zdravlje i Odeljenja za biomedicinsko inženjerstvo pri NUS College of Design and Engineering, i dr Jang Le, glavni naučnik i direktor iz Odeljenja za senzore i fleksibilnu elektroniku A*STAR Instituta za istraživanje i inženjering materijala (A*STAR IMRE), inovacija istraživačkog tima nudi neinvazivnu metodu za praćenje zdravlja otkrivanjem biomarkera kao što su holesterol i laktat – direktno na koži.
Senzor koji se može nositi, rastezljivo, baziran na hidrogelu, prevazilazi ograničenja trenutnih metoda koje se oslanjaju na uzorke biofluida, kao što su krv, urin i znoj. Ovo ga čini obećavajućom alternativom za nosivo, kontinuirano praćenje zdravlja u realnom vremenu, olakšavajući rano otkrivanje stanja kao što su kardiovaskularne bolesti i moždani udar.
Takođe može efikasno pratiti nivoe laktata kod sportista, što je pokazatelj iscrpljenosti i hipoksije tkiva, što utiče na njihov učinak. Ovaj razvoj je posebno relevantan za oblasti uključujući upravljanje hroničnim bolestima, skrining širom populacije, daljinsko praćenje pacijenata i fiziologiju sporta.
Nalazi tima objavljeni su u časopisu Nature Materials 12. juna 2024. Institut za računarstvo visokih performansi A*STAR i Institut za molekularnu i ćelijsku biologiju, kao i Tehnološki univerzitet Naniang, Singapur, takođe su doprineli istraživanju.
Praćenje biomarkera — hemikalija koje se nalaze u krvi ili drugim telesnim tečnostima koje beleže šta se dešava u ćeliji ili organizmu u datom trenutku — tradicionalno uključuje analizu biofluida kao što su krv, urin i znoj. Iako su efikasne, ove metode dolaze sa izazovima.
Testovi krvi su invazivni i nezgodni, dok analize urina mogu biti glomazne i nemaju mogućnosti u realnom vremenu. Ispitivanje biomarkera iz znoja, iako neinvazivno, ograničeno je teškoćom izazivanja znoja kod neaktivnih osoba i neprijatnošću upotrebe lekova koji izazivaju znojenje. Sve ovo predstavlja prepreke za ranu dijagnozu i lečenje bolesti.
SEB nude ubedljivu alternativu. Ovi biomarkeri, koji uključuju holesterol i laktat, nalaze se u stratum corneumu, najudaljenijem sloju kože, i pokazali su jaku korelaciju sa bolestima kao što su kardiovaskularne bolesti i dijabetes. Međutim, direktno je otkrivanje ovih biomarkera bilo teško. Na primer, tradicionalnim čvrstim elektrodama nedostaju neophodni putevi za transport naelektrisanja da bi se omogućilo elektrohemijsko sensiranje SEB-ova.
Istraživački tim NUS-a i A*STAR prevazišao je ovaj izazov svojim novim dizajnom senzora. Kada se uređaj nosi na koži, SEB-ovi se rastvaraju u sloju jonskog provodnog hidrogela (ICH), difunduju kroz matricu hidrogela i prolaze kroz elektrohemijske reakcije katalizovane enzimima na spoju između ICH i sloja elektronsko provodnog hidrogela (ECH).
Relevantni fiziološki podaci se zatim bežično prenose do eksternog korisničkog interfejsa preko fleksibilne štampane ploče, pružajući mogućnost kontinuiranog praćenja. Senzor se proizvodi pomoću skalabilnog i isplativog proizvodnog procesa koji se zove sito štampa.
„Naša nova tehnologija hidrogela senzora je ključna za omogućavanje neinvazivne detekcije biomarkera u čvrstom stanju na koži. Jonski provodljivi sloj hidrogela koji solvatira biomarkere i elektronski provodljivi sloj hidrogela olakšava transport elektrona.
„Ovaj dvosloj omogućava sekvencijalnu solvataciju, difuziju i elektrohemijsku reakciju biomarkera. Još jedan vrhunac je osetljivost senzora sa biomarkerima koji se precizno detektuju čak i u malim količinama“, rekao je doc. Prof. Liu.
„Ovaj nosivi senzor je prvi na svetu koji može da prati biomarkere na suvoj ili ne-znojnoj koži. Nova dvoslojna hidrogel elektroda senzora stupa u interakciju sa i detektuje biomarkere na našoj koži, omogućavajući im da postanu nova klasa zdravstvenih indikatora Rastezljivi dizajn takođe povećava udobnost i preciznost, prilagođavajući se prirodnoj elastičnosti naše kože.
„Ova inovacija može da promeni način na koji pristupamo praćenju zdravlja i načina života, posebno za one koji žive sa hroničnim oboljenjima koja zahtevaju stalno praćenje zdravlja“, rekao je dr Jang.
Za razliku od tradicionalnih senzora koji zahtevaju uzorke biofluida, ovaj senzor može kontinuirano i neinvazivno da prati SEB direktno na koži, što ga čini vrednim za daljinsko praćenje pacijenata i zdravstveni skrining širom populacije.
U kliničkim studijama, senzor je pokazao jake korelacije između biomarkera otkrivenih na koži i onih pronađenih u uzorcima krvi. Ovo potvrđuje tačnost i pouzdanost senzora, što sugeriše da bi mogao biti alternativa testovima krvi za praćenje hroničnih bolesti kao što su dijabetes, hiperlipoproteinemija i kardiovaskularna stanja.
Osetljivost senzora je još jedna prednost, jer može detektovati laktat i holesterol u čvrstom stanju na veoma niskim nivoima. Ovaj nivo osetljivosti se približava nivou masene spektrometrije, što obezbeđuje precizno praćenje ovih biomarkera.
Pored toga, dizajn senzora smanjuje artefakte pokreta, koji se javljaju kada pokreti korisnika utiču na postavljanje senzora ili njegov kontaktni pritisak na kožu, za tri puta u poređenju sa konvencionalnim kolegama. Ovo novo otkriće je uspešno modelovano matematički. Minimiziranjem poremećaja uzrokovanih kretanjem, dvoslojni hidrogel osigurava konzistentna i pouzdana očitavanja, dok rastezljiva priroda uređaja nalik na kožu povećava udobnost korisnika.
„Jedna od mogućih primena ove tehnologije je da zameni test za dijabetičare u trudnoći, poznatiji kao test tolerancije na glukozu. Umesto da se trudnice podvrgavaju višestrukim vađenjima krvi, naš senzor bi mogao da se koristi za praćenje nivoa šećera u realnom vremenu na pogodan način u kući pacijenata, sa sličnim nivoom tačnosti kao i tradicionalni testovi. Ovo se takođe može primeniti na dijabetes uopšte, zamenjujući potrebu za redovnim testovima uboda prstiju,“ doc. Prof. Liu je objasnio.
„Još jedna potencijalna primena je korišćenje senzora u svakodnevnom praćenju zdravlja srca, pošto kardiovaskularne bolesti čine skoro jednu trećinu smrtnih slučajeva u Singapuru. Istraživački tim je započeo istraživački program da blisko sarađuje sa kardiolozima u uspostavljanju kliničke korelacije između biomarkeri — laktat, holesterol i glukoza — sa zdravljem srca“, rekao je dr Jang.
Istraživači NUS-a i A*STAR planiraju da poboljšaju performanse senzora povećanjem njegovog radnog vremena i osetljivosti. Dalje, oni imaju za cilj da integrišu dodatne analite u čvrstom stanju, proširujući primenljivost senzora na druge biomarkere.
Istraživači takođe sarađuju sa bolnicama kako bi obezbedili dodatnu kliničku validaciju i doneli tehnologiju pacijentima, posebno za kontinuirano praćenje glukoze, kao i kvantitativnu procenu dinamičke otpornosti.
