Sử dụng cảm biến không xâm lấn để tìm dấu hiệu viêm nhiễm

Chứng viêm có liên quan đến một loạt các rối loạn tâm thần và thể chất, bao gồm ba kẻ giết người hàng đầu trên toàn thế giới: bệnh tim thiếu máu cục bộ, đột quỵ và bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính (COPD). Các nhà nghiên cứu đã phát triển được một cảm biến đeo được, không xâm lấn để theo dõi dấu hiệu sinh học của chứng viêm dựa vào mồ hôi của người đeo. Họ nói rằng thiết bị này có thể được sử dụng tại nhà cho những người mắc bệnh viêm nhiễm mãn tính.

Trong khi phản ứng viêm cấp tính là cách tự nhiên của cơ thể để chống lại nhiễm trùng và tăng tốc độ chữa lành, tình trạng viêm mãn tính hoặc lâu dài có thể dẫn đến tổn thương mô không hồi phục. Có thể nhanh chóng và dễ dàng phát hiện tình trạng viêm là chìa khóa để điều trị. Việc đo nồng độ protein phản ứng C (CRP) trong máu thường được sử dụng như một dấu ấn sinh học của tình trạng viêm nhưng cần nhân viên y tế và thiết bị phòng thí nghiệm phức tạp để phân tích mẫu máu.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ California, Caltech, đã phát triển được một cảm biến đeo được mới, được gọi là InflaStat, có thể theo dõi tình trạng viêm không dây và không xâm lấn bằng cách đo mức CRP trong mồ hôi của con người.

Các nhà nghiên cứu đã phải vượt qua một số trở ngại trước khi bắt tay vào chế tạo cảm biến phân tích mồ hôi đầu tiên của họ. Vấn đề chính là CRP khó phát hiện hơn các phân tử khác. Nó hiện diện trong máu với nồng độ thấp hơn nhiều so với các dấu ấn sinh học khác và các phân tử của nó lớn hơn nhiều, nghĩa là việc bài tiết chúng từ máu vào mồ hôi khó hơn.

Wei Gao, tác giả liên hệ của nghiên cứu cho biết: “Đó là những vấn đề chính đã ngăn cản mọi người tạo ra cảm biến CRP có thể đeo được trước đây. Chúng tôi cần độ nhạy cao để tự động theo dõi CRP nồng độ rất thấp trên da”

InflaStat được làm từ graphene được khắc bằng laser có chứa các lỗ nhỏ li ti tạo ra diện tích bề mặt lớn. Các lỗ chân lông chứa các kháng thể liên kết với CRP và các phân tử đặc biệt gọi là phân tử oxi hóa khử có khả năng tạo ra một dòng điện nhỏ trong những điều kiện nhất định. Kết hợp vào cấu trúc của cảm biến là các hạt nano vàng, mỗi hạt mang một bộ kháng thể phát hiện CRP riêng biệt.

Khi các phân tử CRP từ mồ hôi của người đeo thiết bị vào cảm biến, chúng sẽ gắn vào cả kháng thể của máy dò và kháng thể trong các lỗ graphene. Sau đó, các hạt nano sẽ gắn vào graphene và kích hoạt các phân tử oxi hóa khử để tạo ra dòng điện được đọc bởi các thành phần điện tử gắn với cảm biến.

Do mỗi hạt nano vàng chứa nhiều kháng thể dò tìm, nên tín hiệu - vốn rất nhỏ - được khuếch đại nhiều lần hơn so với tín hiệu mà một phân tử CRP đơn lẻ sẽ tạo ra.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm InflaStat trên những người tham gia khỏe mạnh, bệnh nhân mắc bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính và những người tham gia đã hồi phục sau khi bị nhiễm COVID. Họ phát hiện ra rằng cảm biến rất thoải mái khi đeo và có thể thu được thông tin về dấu ấn sinh học gây viêm một cách không xâm lấn và không dây. Dữ liệu được hiển thị trên một ứng dụng điện thoại thông minh tùy chỉnh trong thời gian thực. Đúng như dự đoán, nồng độ CRP ở những bệnh nhân mắc COPD và những người bị nhiễm trùng sau COVID cao hơn đáng kể so với những người tham gia khỏe mạnh. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng cảm biến đã phát hiện chính xác mức CRP trong mồ hôi tương quan với nồng độ trong máu.

Các nhà nghiên cứu nói rằng những phát hiện trong nghiên cứu của họ chứng minh rằng cảm biến của họ có thể dùng để theo dõi các bệnh mãn tính tại nhà, không xâm lấn như bệnh viêm ruột hoặc COPD. Hơn nữa, họ nói rằng nó có thể được điều chỉnh để kiểm tra các dấu ấn sinh học liên quan đến bệnh tật khác.

“Đây là một nền tảng cho phép chúng tôi theo dõi các phân tử ở mức độ cực thấp trong chất dịch cơ thể của chúng ta. Chúng tôi hy vọng sẽ mở rộng nền tảng này để theo dõi các phân tử protein và hormone có liên quan đến lâm sàng khác. Chúng tôi cũng muốn xem liệu điều này có thể áp dụng để quản lý bệnh mãn tính hay không. Viêm nhiễm đồng nghĩa với những rủi ro đối với nhiều bệnh nhân. Nếu họ có thể được theo dõi tại nhà, rủi ro của họ có thể được xác định và họ có thể được điều trị kịp thời”, Gao nói.

Nguồn: Nature Biomedical Engineering.