سنسورهای پوشیدنی: راهی جدید برای نظارت بر سلامت و پیشگیری از بیماری‌ها

شناسایی بیماری‌ها در مراحل اولیه نیازمند نظارت سریع بر سلامت، مداوم و راحت بر نشانگرهای زیستی حیاتی است. پژوهشگران دانشگاه ملی سنگاپور (NUS) و سازمان علوم، فناوری و تحقیق (A*STAR) یک سنسور نوآورانه توسعه داده‌اند که امکان شناسایی مداوم و بلادرنگ نشانگرهای زیستی اپیدرمال جامد (SEB)، یک دسته جدید از شاخص‌های سلامت، را فراهم می‌آورد.

این تحقیق به طور مشترک توسط استاد یوشین لیو از مؤسسه نوآوری و فناوری سلامت NUS و دکتر یانگ لو، دانشمند ارشد و رئیس دپارتمان سنسورها و الکترونیک‌های انعطاف‌پذیر در موسسه تحقیقات مواد A*STAR، رهبری شده است. نوآوری تیم تحقیقاتی یک روش غیرتهاجمی برای نظارت بر سلامت از طریق شناسایی نشانگرهایی مانند کلسترول و لاکتات، به طور مستقیم بر روی پوست، ارائه می‌دهد.

این سنسور پوشیدنی، کشسان و مبتنی بر هیدروژل محدودیت‌های روش‌های فعلی که به نمونه‌های بیوفلوئید (مانند خون، ادرار و عرق) نیاز دارند را برطرف می‌کند. این ویژگی آن را به یک جایگزین امیدوارکننده برای نظارت مداوم، پوشیدنی و بلادرنگ بر سلامت تبدیل می‌کند که به شناسایی زودهنگام شرایطی مانند بیماری‌های قلبی عروقی و سکته کمک می‌کند. همچنین می‌تواند به طور مؤثری میزان لاکتات ورزشکاران را که نشان‌دهنده خستگی و هیپوکسی بافتی است و بر عملکرد آنان تأثیر می‌گذارد، نظارت کند. این پیشرفت به ویژه برای زمینه‌هایی مانند مدیریت بیماری‌های مزمن، غربالگری جمعیتی، نظارت از راه دور بیماران و فیزیولوژی ورزشی مرتبط است.

یافته‌های تیم تحقیقاتی در تاریخ ۱۲ ژوئن ۲۰۲۴ در مجله Nature Materials منتشر شد. موسسه محاسبات با عملکرد بالا ASTAR و موسسه بیولوژی مولکولی و سلولی ASTAR، همچنین دانشگاه فناوری نانیانگ سنگاپور نیز در این تحقیق مشارکت داشته‌اند.

نوآوری برای غلبه بر چالش‌های موجود

نظارت بر نشانگرهای زیستی — مواد شیمیایی موجود در خون یا دیگر مایعات بدن که آنچه در یک سلول یا موجود زنده در یک لحظه اتفاق می‌افتد را ثبت می‌کنند — معمولاً شامل تجزیه و تحلیل بیوفلوئیدهایی مانند خون، ادرار و عرق است. اگرچه این روش‌ها مؤثر هستند، اما چالش‌هایی دارند. آزمایش‌های خون تهاجمی و ناخوشایند هستند، در حالی که تحلیل‌های ادرار می‌توانند دست و پاگیر بوده و فاقد قابلیت بلادرنگ باشند. شناسایی نشانگرهای زیستی از عرق، اگرچه غیرتهاجمی است، به دلیل دشواری در تحریک عرق در افراد غیرفعال و ناراحتی استفاده از داروهای تحریک‌کننده عرق، محدود است. این مشکلات همه مانع از شناسایی زودهنگام و درمان بیماری‌ها می‌شوند.

SEBها یک جایگزین قانع‌کننده ارائه می‌دهند. این نشانگرها که شامل کلسترول و لاکتات هستند، در لایه خارجی پوست، یعنی لایه شاخی اپیدرم یافت می‌شوند و ارتباط قوی با بیماری‌هایی مانند بیماری‌های قلبی عروقی و دیابت دارند. با این حال، شناسایی این نشانگرها به طور مستقیم دشوار بوده است. به عنوان مثال، الکترودهای جامد سنتی مسیرهای حمل بار لازم برای انجام حس‌گری الکتروشیمیایی SEBها را ندارند.

تیم تحقیقاتی NUS و A*STAR این چالش را با طراحی نوآورانه سنسور خود برطرف کرده است. وقتی دستگاه بر روی پوست قرار می‌گیرد، SEBها در لایه هیدروژل رسانای یونی (ICH) حل می‌شوند، از طریق ماتریس هیدروژل پخش می‌شوند و تحت واکنش‌های الکتروشیمیایی کاتالیز شده توسط آنزیم‌ها در محل اتصال بین لایه ICH و هیدروژل رسانای الکترونیکی (ECH) قرار می‌گیرند. داده‌های فیزیولوژیکی مرتبط به طور بی‌سیم به رابط کاربری خارجی ارسال می‌شوند و امکان نظارت مداوم را فراهم می‌کنند. سنسور با استفاده از فرآیند تولید مقیاس‌پذیر و مقرون به صرفه‌ای به نام چاپ صفحه تولید می‌شود.

قابلیت اطمینان، حساسیت و سهولت استفاده

برخلاف سنسورهای سنتی که به نمونه‌های بیوفلوئید نیاز دارند، این سنسور می‌تواند به طور مداوم و غیرتهاجمی SEBها را به طور مستقیم بر روی پوست نظارت کند، که آن را برای نظارت از راه دور بیماران و غربالگری سلامت جمعیتی ارزشمند می‌سازد.

در مطالعات بالینی، سنسور همبستگی‌های قوی بین نشانگرهای شناسایی‌شده بر روی پوست و نمونه‌های خون نشان داد. این تأیید می‌کند که سنسور دقیق و قابل اطمینان است و احتمالاً می‌تواند جایگزین آزمایش‌های خون برای نظارت بر بیماری‌های مزمن مانند دیابت، هایپرلیپروتئینمی و بیماری‌های قلبی عروقی باشد.

حساسیت این سنسور یک مزیت دیگر است، زیرا می‌تواند لاکتات و کلسترول جامد را در سطوح بسیار پایین شناسایی کند. این حساسیت به سطحی نزدیک به طیف‌سنجی جرمی می‌رسد که دقت دقیق در نظارت بر این نشانگرها را تضمین می‌کند.

علاوه بر این، طراحی سنسور حرکت‌آرتیفکت‌ها را کاهش می‌دهد. این حرکت‌آرتیفکت‌ها زمانی رخ می‌دهند که حرکات کاربر بر موقعیت سنسور یا فشار تماس آن با پوست تأثیر بگذارد، و این کاهش به میزان سه برابر نسبت به سنسورهای معمولی مشاهده شده است. این یافته جدید به طور ریاضی مدل‌سازی شده است. با کمینه‌سازی اختلالات ناشی از حرکت، هیدروژل دولایه اطمینان از خوانش‌های ثابت و قابل‌اطمینان را فراهم می‌کند، در حالی که طراحی کشسان و مشابه پوست دستگاه راحتی کاربر را افزایش می‌دهد.

راه‌اندازی سنسورهای نسل بعد

محققان NUS و A*STAR قصد دارند عملکرد سنسور را با افزایش زمان کاری و حساسیت آن ارتقا دهند. علاوه بر این، آنها در نظر دارند تا آنالیت‌های جامد دیگری را اضافه کنند و قابلیت کاربرد سنسور را برای نشانگرهای زیستی دیگر گسترش دهند. محققان همچنین در حال همکاری با بیمارستان‌ها برای انجام اعتبارسنجی بالینی بیشتر و آوردن این فناوری به بیماران، به ویژه برای نظارت مداوم بر گلوکز و ارزیابی کمی تاب‌آوری دینامیک هستند.

:References

Shaolin Liang, Andrew B. Kinghorn, Margaritis Voliotis, Julia K. Prague, Johannes D. Veldhuis, Krasimira Tsaneva-Atanasova, Craig A. McArdle, Raymond H. W. Li, Anthony E. G. Cass, Waljit S. Dhillo, Julian A. Tanner. Measuring luteinising hormone pulsatility with a robotic aptamer-enabled electrochemical reader. Nature Communications, ۲۰۱۹; ۱۰ (۱) DOI: ۱۰.۱۰۳۸/s41467-019-08799-6