Нательный датчик научили определять уровень витамина C через пот
Ученые из США и Швейцарии создали приклеиваемое на кожу руки устройство, способное измерять уровень витамина C в поту, что коррелирует с уровнем в крови. Статья опубликована в журнале ACS Sensors.
Концентрацию веществ в теле обычно определяют по анализу крови. Это качественный метод, но он инвазивный, поэтому его неудобно применять для регулярных измерений уровня веществ и обычно это делают только с пациентами, для которых это действительно необходимо (например, при диабете). Но уровень многих веществ в крови коррелирует с уровнем в других жидкостях, в том числе слезе и поту. В последние несколько лет из-за развития материалов и технологий ученые стали создавать прототипы носимых датчиков веществ-биомаркеров в этих жидкостях, например, датчик глюкозы, встроенный в контактную линзу, или датчик для отслеживания концентрации кортизола в поту.
Американо-швейцарская группа ученых под руководством Джозефа Вана (Joseph Wang) из Калифорнийского университета в Сан-Диего использовала этот подход в датчике концентрации витамина C. Датчик позволяет без анализа крови отслеживать уровень этого вещества и поддерживать его в нормальных пределах.
Ученые выбрали одну из стандартных схем для таких устройств, при которой датчик содержит фермент, способствующий окислению искомого вещества (витамина C в этом исследовании), и измеряет изменения тока, происходящие из-за этой реакции. В данном случае они поместили на один из электродов датчика фермент аксорбатоксидазу. Она выступает катализатором, благодаря которому попадающие на датчик молекулы витамина C вступают в реакцию с кислородом. Датчик измеряет концентрацию витамина C не напрямую, а отслеживая изменение тока восстановления кислорода. Оно возникает из-за того, что при повышении концентрации молекул витамина часть кислорода расходуется на их окисление.
Помимо датчика на гибкой и прозрачной полимерной подложке закреплено два больших гидрогелевых элеткрода. В гидрогеле анода содержится пилокарпин, вызывающий сильное потоотделение. При подаче тока на электроды молекулы пилокарпина из-за электростатического отталкивания двигаются от электрода к коже и попадают на нее. В результате под датчиком возникает зона усиленного потоотделения, чего достаточно для его работы.
Ученые проверили работоспособность датчика, присоединив к нему плату для подачи тока и считывания показаний. Во время экспериментов участники с закрепленным на руке датчиком принимали таблетки с определенной дозой витамина C (250 или 1000 миллиграммов), или от 0,5 до двух стаканов апельсинового или мультифркутового сока, причем в некоторых экспериментах доза увеличивалась постепенно. Кроме того, была и контрольная группа, которая не принимала витамин в виде таблеток или сока.
Эксперименты показали, что изменения показаний датчика достаточно хорошо коррелируют с приемом витамина C в той или иной форме, причем отслеживать можно не только сам прием, но и примерную дозу.
Ранее ученые создавали и другие носимые датчики для отслеживания приема определенных веществ. Например, в 2018 году американские инженеры представили беспроводной датчик, закрепляемый на зуб и способный отслеживать концентрацию соли, глюкозы, этилового спирта и других веществ. А другая группа инженеров разработала в том же году закрепляемый во рту на небе датчик, отслеживающий потребление натрия.
Григорий Копиев
Сканер работает в паре со смартфоном
Канадские и мексиканские исследователи представили результаты пилотных клинических испытаний сканера для диагностики воспаления и инфекционного процесса в ранах. Устройство гиперспектральной визуализации, выполненное в виде сменного объектива для смартфона, анализирует изображение, термограмму и флуоресценцию пораженной области. В испытаниях гаджет продемонстрировал общую точность в 74 процента. Отчет о работе опубликован в журнале Frontiers in Medicine. Хронические раны, которые не заживают в течение 8–12 недель, представляют серьезную проблему для общественного здравоохранения. Типичным пусковым фактором для их развития служит инфекция, особенно в том случае, если процесс заживления в силу состояния самой раны и всего организма задержался на воспалительной фазе. Стадии раневой инфекции включают загрязнение (контаминацию), колонизацию, местную инфекцию и ее системное распространение (генерализацию). Для оказания необходимого объема помощи врачу необходимо четко различать загрязненные и колонизированные раны, однако точность подобной диагностики при простом осмотре не достигает и 60 процентов. Как правило, это компенсируют микробиологическими и молекулярными исследованиями, однако они занимают значительное время и не всегда доступны. В силу этого все больший интерес представляют физические методы исследования, такие как инфракрасная термография и регистрация бактериальной флуоресценции, а также анализ изображений с помощью алгоритмов машинного обучения. Чтобы совместить преимущества этих методов, канадская компания Swift Medical разработала устройство гиперспектральной визуализации Swift Ray 1. Оно оснащено инфракрасными датчиками для разных длин волн, источниками видимого и ультрафиолетового излучения и соответствующими камерами высокого разрешения. Они позволяют одновременно выполнять фотосъемку и инфракрасную термографию раны и регистрировать флуоресценцию бактерий в ней. Полученные изображения устройство передает на камеру смартфона с интегрированным приложением Swift Skin and Wound. Оно собирает их в датасет, который содержит информацию о физиологии, морфологии и составе тканей в ране. Роберт Фрейзер (Robert Fraser) с коллегами из трех канадских университетов, Центральной больницы имени Прието в Сан-Луис-Потоси, компаний Swift Medical и Vope Medical провели мультицентровое проспективное испытание устройства Swift Ray 1, в котором оценивали его пригодность для дифференциальной диагностики невоспаленных, воспаленных и инфицированных ран. В исследовании приняли участие 66 амбулаторных пациентов из Мексики и Канады. Сканирование ран проводили хирурги, прошедшие инструктаж, в соответствии с полученными рекомендациями (рану очищали, помещали по ее краям идущий в комплекте маркер и снимали под углом 90 градусов с расстояния 15 сантиметров). Клинические характеристики ран оценивали в соответствии с протоколом Международного института раневых инфекций (IWII). Обработку данных проводили методами главных компонент (PCA) и k-ближайших соседей (KNN) для создания нейросетевой модели, кластеризующей раны по признаку наличия инфекции и воспаления. По результатам испытаний PCA-KNN-кластеризация с учетом всех клинических и визуализационных переменных обеспечила общую точность 74 процента при дифференциальной диагностике невоспаленных, воспаленных и инфицированных ран. Для невоспаленных ран чувствительность и специфичность модели составили соответственно 94 и 70 процентов, для воспаленных — 85 и 77 процентов, для инфицированных — 100 и 91 процент. Таким образом, комбинация множественных методов визуализации позволяет создавать модели для улучшенной оценки ран. Подобные устройства для использования в месте оказания помощи могут помочь клиницистам своевременно выявлять и лечить раневые инфекции, заключают авторы работы. В феврале 2023 года американские, китайские и корейские исследователи представили биорезорбируемый беспроводной электрод для мониторинга состояния и электротерапии хронических ран. В конце 2022 года стэнфордская научная команда продемонстрировала умный пластырь для мониторинга и электростимуляции ран, который атравматично отклеивается после использования.