Grafen-baseret sensor kunne forbedre evaluering, diagnosticering og behandling af astma

Rutgers University-New Brunswick forskere har skabt en grafen-baseret sensor, der kan føre til tidligere påvisning af truende astmaanfald og forbedre håndteringen af ​​astma og andre luftvejssygdomme, forebyggelse af indlæggelser og dødsfald.

Sensoren baner vejen for udviklingen af ​​enheder - der muligvis ligner fitness-trackere som Fitbit - som folk kan bære og derefter vide, hvornår og i hvilken dosis de skal tage deres medicin.

"Vores vision er at udvikle en enhed, som en person med astma eller en anden luftvejssygdom kan bære rundt om halsen eller på håndleddet og blæse ind i den med jævne mellemrum for at forudsige begyndelsen af ​​et astmaanfald eller andre problemer, " sagde Mehdi Javanmard, en adjunkt ved Institut for Elektro- og Computerteknik. "Det fremmer området for personlig og præcisionsmedicin."

Javanmard og et mangfoldigt hold af Rutgers-New Brunswick-eksperter beskriver deres opfindelse i en undersøgelse offentliggjort online i dag i tidsskriftet Mikrosystemer og nanoteknik .

Astma, som forårsager betændelse i luftvejene og hindrer luftstrømmen, påvirker omkring 300 millioner mennesker verden over. Omkring 17,7 millioner voksne og 6,3 millioner børn i USA blev diagnosticeret med astma i 2014. Symptomerne omfatter hoste, hvæsen, stakåndet, og trykken for brystet. Andre alvorlige lungesygdomme omfatter kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL), som omfatter emfysem og kronisk bronkitis.

Nutidens ikke-invasive metoder til diagnosticering og overvågning af astma er begrænsede til at karakterisere arten og graden af ​​luftvejsinflammation, og kræver dyre, omfangsrigt udstyr, som patienterne ikke nemt kan have med sig. Metoderne omfatter spirometri, som måler åndedrætskapacitet, og test for udåndet nitrogenoxid, en indikator for luftvejsbetændelse. Der er et presserende behov for forbedringer, minimalt invasive metoder til molekylær diagnosticering og monitorering af astma, siger undersøgelsen.

Måling af biomarkører i udåndet åndedrætskondensat - små væskedråber, der udledes under vejrtrækningen - kan bidrage til at forstå astma på molekylært niveau og føre til målrettet behandling og bedre sygdomsbehandling.

Rutgers-forskernes miniaturiserede elektrokemiske sensor måler nøjagtigt nitrit i udåndet kondensat ved hjælp af reduceret grafenoxid. Reduceret grafenoxid modstår korrosion, har overlegne elektriske egenskaber og er meget nøjagtig til at detektere biomarkører. Grafen er et tyndt lag af den grafit, der bruges i blyanter.

"Nitritniveauet i kondensatet i åndedrættet er en lovende biomarkør for inflammation i luftvejene. Med en hurtig, nem metode til at måle det kan hjælpe en astmatiker med at afgøre, om luftforurenende stoffer påvirker dem, så de bedre kan styre brugen af ​​medicin og fysisk aktivitet, " sagde Clifford Weisel, studie medforfatter og professor ved Rutgers' Environmental and Occupational Health Sciences Institute (EOHSI). "Det kan også bruges på en læges kontor og akutafdelinger til at overvåge effektiviteten af ​​forskellige antiinflammatoriske lægemidler for at optimere behandlingen."

"Stigninger i luftvejsbetændelse kan være et tidligt advarselstegn på øget risiko for et astmaanfald eller forværring af KOL, giver mulighed for tidligere og mere effektive forebyggende foranstaltninger eller behandling, " sagde Robert Laumbach, studiemedforfatter og en arbejds- og miljømedicinsk læge på EOHSI.

"Jeg ser bare på hosten, hvæsende vejrtrækning og andre ydre symptomer, diagnosens nøjagtighed er ofte ringe, så det er derfor, at denne idé om at overvåge biomarkører kontinuerligt kan resultere i et paradigmeskifte, " sagde Javanmard, der arbejder på Ingeniørskolen. "Evnen til at udføre etiketfri kvantificering af nitritindhold i udåndingskondensat i et enkelt trin uden prøveforbehandling løser en vigtig flaskehals for at muliggøre bærbar astmabehandling."

Det næste skridt er at udvikle en bærbar, bærbart system, som kunne være kommercielt tilgængelig inden for fem år, han sagde. Forskerne forestiller sig også at udvide antallet af inflammationsbiomarkører, som en enhed kan detektere og måle.

"Alene i USA, allergi betændelse, astma og forskellige luftvejssygdomme er alle i stigning, så enheder, der kan hjælpe med at diagnosticere, overvåge og administrere disse forhold vil være i høj efterspørgsel, " sagde Javanmard.