Sved lover mest for ikke-invasiv testning

At lave en revolutionær biosensor kræver blod, sved og tårer.

Og spyt, naturligt.

University of Cincinnati professor Jason Heikenfeld undersøgte potentialet af disse og andre biovæsker til at teste menneskers sundhed med små, bærbare sensorer til journalen Natur bioteknologi .

Heikenfeld udvikler bærbar teknologi i sit Novel Device Lab på UC's College of Engineering and Applied Science. Hans laboratorium skabte sidste år verdens første kontinuerlige testenhed, der prøver sved lige så effektivt som blod, men på en ikke-invasiv måde og over mange timer.

"Ultimativt, teknologiske fremskridt inden for wearables er begrænset af den menneskelige biologi selv, " sagde undersøgelsen.

Bemærkelsesværdigt, mange af innovationerne inden for biosensorer og svedteknologi blev udviklet i Cincinnati. Den første glukosemonitor til diabetes blev kommercialiseret i regionen. Opfinderen af ​​verdens første antiperspirant, kaldet Odorono, var en Cincinnati-læge ved navn Abraham Murphey.

"Vi har så stærk en historie på dette felt her. Det er virkelig fascinerende, " sagde Heikenfeld.

Heikenfeld krediterer sit teams hårde arbejde for sit laboratoriums succes.

"Vi har været i stand til at gå langt og hurtigt her, " sagde Heikenfeld. "Vi genlyder en bestemt type studerende. Så meget som vi har strålende fakulteter på UC, hvis vi ikke havde dygtige elever her, denne teknologi ville ikke eksistere. Vi ville bare tale teoretisk om potentialet."

I den Natur artikel, Heikenfeld identificerede fire opdagelsesbølger, når det kommer til at teste menneskers sundhed. Først, læger begyndte at tegne og sende blod til laboratorier i en invasiv, tidskrævende og arbejdskrævende proces, som patienterne stadig gennemgår i dag.

Fra omkring 1980'erne forskere, herunder banebrydende UC-ingeniørprofessor Chong Ahn, udviklet point-of-care laboratorietest, der gjorde det muligt for læger at få øjeblikkelige resultater. I stedet for at sende prøver til et laboratorium, læger kunne selv teste prøver ved hjælp af små selvstændige enheder.

"Dr. Ahn har været i spidsen for udviklingen af ​​disse point-of-care-enheder, " sagde Heikenfeld.

Nu, Heikenfeld sagde, vi er midt i en tredje bølge – kontinuerlig helbredsovervågning med bærbare enheder som dem, der er udviklet på UC. Disse giver data over tid, så læger kan spore sundhedstendenser i stedet for at stole på det øjebliksbillede, som en enkelt blodprøve giver.

"Det er superkraftigt, fordi det fortæller mig, om jeg får det bedre? Bliver jeg dårligere?" sagde Heikenfeld.

Til sidst, feltet vil se enheder implanteret i kroppen til langtidsdiagnose eller overvågning, han sagde. Men først bliver forskere nødt til at skabe robuste sensorer, der kan give nøjagtige oplysninger over en meget længere tidsramme.

"Det er den store udfordring, " sagde Heikenfeld. "Sensorer er selv kemisk reaktive. Så de holder ikke."

Efter at have undersøgt brugen af ​​spyt, tårer og interstitiel væske, Heikenfeld sluttede i Natur artikel, at sved holder mest lovende for ikke-invasiv testning, fordi det giver lignende information som blod og dets sekretionshastighed kan kontrolleres og måles.

I hans Novel Device Lab på UC, Heikenfeld og hans elever har skabt nye sensorer på et plaster på størrelse med et plaster, der stimulerer sved, selv når en patient er kølig og hviler. Sensoren måler specifikke analytter over tid, som læger kan bruge til at bestemme, hvordan patienten reagerer på en lægemiddelbehandling.

Sensorerne kan skræddersyes til at måle alt fra medicin til hormoner til dehydrering, sagde Heikenfeld.

Sidste år skabte laboratoriet verdens første kontinuerlige overvågningssensor, der kan registrere de samme sundhedsoplysninger i sved, som læger i generationer har undersøgt i blod. Milepælen er bemærkelsesværdig, fordi den kontinuerlige sensor gør det muligt for læger at spore helbred over tid for at se, om en patient får det bedre eller dårligere. Og de kan gøre det på en ikke-invasiv måde med et lille plaster på huden, der stimulerer sved i op til 24 timer ad gangen.

"Dette er den hellige gral. For første gang, vi kan vise her er bloddataene; her er sveddataene – og de arbejder smukt sammen, " sagde Heikenfeld.

Heikenfeld og hans elever offentliggjorde deres seneste eksperimentelle resultater i december i tidsskriftet Lab on a Chip. UC's undersøgelse sporede, hvordan testpersoner omsatte ethanol. Undersøgelsen konkluderede, at sved gav praktisk talt den samme information som blod til at måle et lægemiddels tilstedeværelse i kroppen.

Det seneste gennembrud på UC markerede kulminationen på mere end syv års forskning, han sagde.

"For medicin, vi kan bruge sved til at få en nøjagtig måling af koncentrationer i blodet, " sagde Heikenfeld. "Det er vigtigt, fordi når vi først kan måle koncentrationer af lægemidler i blod, vi kan se på medicindosering. Og det kunne få den nuværende dosering til at ligne noget fra stenalderen."

Cincinnati er hjemsted for adskillige virksomheder, der udvikler teknologier til lægemiddelordinering, levering og overvågning af kommercielle produkter. Listen omfatter Assurex Health, Aktiver injektioner og Heikenfelds eccrine systemer, hvor han er medstifter og chief science officer.

Medforfatter af undersøgelsen og beregningsbiolog Tongli Zhang sagde, at enheder som disse vil hjælpe læger med at yde personlig pleje. Zhang er adjunkt ved Institut for Farmakologi og Systemfysiologi ved UC College of Medicine.

"Man giver ikke børn den samme stofdosis som voksne. Ligeledes vi kan angive en dosis baseret på en patients vægt, " sagde Zhang. "Men nogle patienter kan have lever- eller nyresvigt. Og andre kan metabolisere et lægemiddel 10 gange hurtigere. Så den samme dosis kan være ineffektiv hos nogle patienter og giftig hos andre."

Zhang sagde, at kontinuerlige sensorer kunne ændre behandlinger på grundlæggende måder.

"Personlig eller individualiseret medicin bliver en større sag. Vi indser, at det er vigtigt. Hvis vi kan forstå, hvad der foregår i kroppen, vi kan skræddersy behandlingen derefter, " han sagde.

UC er på forkant med at udvikle nye biosensorer, som Heikenfeld mener vil revolutionere den måde, vi sporer sygdom og velvære på.

"UC fortsætter med at bygge på vores rige regionale historie med at revolutionere diagnostik gennem denne tredje bølge af kontinuerlig biokemisk sansning, " han sagde.