بیوسنسورهای پوشیدنی برای نظارت و درمان بالینی مورد مطالعه قرار گرفتند
برای بیماران دیابتی چندین مرتبه در روز سوزن زدن به انگشت، جهت نظارت بر سطح گلوکز خون دشوار است. بسیاری از آنها از توصیه پزشک خود برای انجام آزمایشات مکرر پیروی نمی‌کنند که چنین حالتی مدیریت وضعیت آنها را دشوارتر میکند.
دکتردای-هیونگ کیم،دانشیار دانشکده مهندسی شیمی و بیولوژیکی در دانشگاه ملی سئول در کره‌جنوبی، گفت: “این روش با استرس زیادی همراه است و بسیاری از بیماران نمی‌خواهند این کار را هر روز انجام دهند، بنابراین آن را یک بار در هفته یا در ماه انجام میدهند و این باعث تشدید دیابت آنها می‌شود.ʺ
کیم و همکارانش در تلاش هستند تا با استفاده از بیوسنسور الکترونیکی پوشیدنی کوچکی که سطح گلوکز در عرق را تشخیص می‌دهد، روشی غیرتهاجمی برای نظارت بر قند خون بیابند. در واقع، تحقیقات اولیه نشان داد که دستگاه‌َّˏ در ابعاد چسب زخم ، نه تنها گلوکز عرق را پایش میکند، بلکه ممکن است با میکروسوزن‌ها به منظور انتقال دارو همراه شود.
این دستگاه نمونه‌ای از نسل جدید بیوسنسورهای قابل انعطاف و پوشیدنی است که در سراسر جهان به عنوان ابزار بالقوه بالینی توسعه یافته است. این دستگاه‌ها بر اساس موفقیت‌های ردیاب‌های تناسب اندام پوشیدنی موجود، که فعالیت، ضربان قلب و خواب را با استفاده از فناوری تلفن همراه اندازه‌گیری میکنند، ساخته شدهاند اما آنها با ادغام پیشرفت‌های نانوتکنولوژی و علم مواد برای شناسایی متابولیت‌های معنی‌دار بالینی و سایر ترکیبات موجود در عرق و سایر مایعات بدن، یک قدم فراتر میروند.
جوزف وانگ، DSc، مدیر مرکز سنسورهای پوشیدنی در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو (UCSD) گفت: «دستگاههای تلفن همراه به ما امکان میدهند این نوع نظارت بر بدن، که در زمینه تناسب اندام و ورزش شروع شد اما در حال حرکت به سمت کاربردهای زیست پزشکی است، را انجام دهیم.”
پایش غیرتهاجمی گلوکز
گروه کیم یکی از گروه‌های تحقیقاتی بیوسنسورهای پوشیدنی مبتنی بر عرق جهت پایش گلوکز است. هرچند که هماکنون دستگاههای مانیتورینگ(پایشگر) مستمر گلوکز با حداقل تهاجم در بازار وجود دارد، این دستگاه‌ها نیاز به قرار دادن یک سنسور در زیر پوست برای اندازه‌گیری سطح گلوکز بینابینی دارند و این اطلاعات را به‌صورت بی‌سیم به یک مانیتور در ابعاد پیجر منتقل میکنند.
سیستم‌های پانکراس مصنوعی نیز در حال توسعه هستند که پایشگرهای گلوکز را با حداقل تهاجم به پمپ‌های انسولین خودکار، که دوزهای مناسب انسولین را توزیع میکنند، پیوند میدهند. نسخه‌های پیشرفته آن در مسیر آزمایش‌های لازم برای کسب تأییدیه سازمان غذا و داروی ایالات متحده هستند.
وانگ گفت: «سیستم پانکراس مصنوعی هنوز بر فناوری کم تهاجمی [پایش گلوکز] تکیه دارد و به سوزن زدن به انگشت نیاز دارد.»
بسیاری از محققان، مانند کیم، با استناد به شواهدی مبنی بر اینکه محتوای گلوکز در عرق میتواند نشانگر واقعی قند خون باشد، به دنبال توسعه نسل بعدی پایشگر گلوکز پوشیدنی غیرتهاجمی مبتنی بر عرق هستند. کیم معتقد است با این روش می‌توان درد و استرس حاصل از فرو بردن سوزن را از بین برد. اما با چالش هایی متفاوت از پایش گلوکز بر پایه خون مواجه خواهیم شد.
به گفته کیم، سطح گلوکز در عرق بسیار کمتر از جریان خون است، بنابراین اندازه گیری دقیق آن دشوارتر است. علاوه بر این، pH، دمای بدن و میزان عرق میتواند اندازه‌گیری گلوکز در عرق را تغییر دهد و باعث انحراف آن شود و باید تنظیماتی در این مورد انجام شود.
برای غلبه بر این چالش‌ها، کیم و همکارانش سیستم سنجش الکترونیکی بسیارکوچکی را برای هریک از این متغیرها روی پچ (چسب) انعطاف‌پذیر آنها قرار دادند. برای آزمایش آن، پچ را به 2 داوطلب مرد سالم چسباندند و سطح گلوکز آنها را با استفاده از یک برنامه دستگاه تلفن همراه که به صورت بی‌سیم با پچ سنجش گلوکز ارتباط برقرار میکند، کنترل کردند. سطح گلوکز عرق اندازه‌گیری شده توسط دستگاه با گلوکزسنج تجاری مورد استفاده برای مردان، مطابقت داشت.
در حالی که نتایج امیدوارکننده هستند، کیم خاطرنشان کرد که هنوز موانع بالقوه ای وجود دارد، از جمله تغییرات در وضعیت پوست افراد که میتواند بر جمع‌آوری عرق تأثیر بگذارد.
وانگ در مورد پایش گلوکز مبتنی بر عرق گفت: خوبی این روش غیرتهاجمی بودن آن است. “اما هنوز سوالاتی در مورد اینکه [سطح گلوکز عرق] چقدر از نظر بالینی قابل استناد است، وجود دارد.”
برای دور زدن این محدودیت بالقوه، وانگ و همکارانش یک سنسور گلوکز مبتنی بر خالکوبی ساخته‌اند که از استخراج یونتوفورتیک معکوس برای استخراج گلوکز از فضای بینابینی بدون سوراخ کردن پوست استفاده میکند.
وانگ گفت: ما می‌خواهیم پایش غیرتهاجمی گلوکز را انجام دهیم و اطلاعاتی مانند پایش دائمی گلوکز دریافت کنیم.
چندین گروه از محققان در حال تلاش برای توسعه و ساخت سنسورهای گلوکز بر پایه اشک هستند. به عنوان مثال، Novartis مجوز فناوری لنزهای تماسی سنجش گلوکز گوگل را صادر کرده است.
داده‌های اولیه نشان می‌دهد که پایش‌های غیرتهاجمی گلوکز نیز ممکن است با تجویز مستقیم داروها کمی با تهاجم همراه شوند.
کیم و همکارانش آزمایش کردند که آیا میکروسوزن‌های حاوی متفورمین روی پچ سنسور عرق میتواند، به طور موثر دارو را به موش‌های که مهندسی ژنتیک شدهاند تا به بیماری شبیه دیابت مبتلا شوند، برساند یا خیر.کیم گفت: ما می‌خواهیم دارو را به صورت خودکار تجویز کنیم.
پچ به شکم تراشیده شده موش چسبیده شد. برخلاف پچ‌های میکروسوزنی که برای تزریق واکسن‌ها مورد مطالعه قرار می‌گیرند، که بلافاصله پس از تماس با مایع بینابینی حل میشوند، این میکروسوزن‌ها طوری طراحی شدهاند که وقتی پچ گرم می‌شود، حل شوند. کیم توضیح داد که این کار به پچ اجازه می‌دهد انسولین را تنها زمانی آزاد کند که داده‌های سنجش، نیاز به انسولین را نشان دهند. کیم و همکارانش نشان دادند، وقتی پچ ها گرم شدند نه تنها انسولین ترشح می شود، بلکه گلوکز خون موش ها نیز کاهش مییابد. اعتبارسنجی بالینی و تجاری‌سازی مراحل بعدی دستگاه کیم است. کیم گفت: ‘ما به همکاری و مشارکت پزشکان نیاز داریم.’
راه‌حل‌های نمونه عرق
دانشمندان همچنین به دنبال راه‌هایی برای توسعه پایش‌های غیر تهاجمی مداوم برای انواع دیگر شاخص‌های سلامتی هستند. از آنجایی که عرق غنی از مجموعه ای از متابولیت ها و الکترولیت‌های دیگر است، میتواند همانند یک داستان‌پرداز قدرتمند عمل کند. به‌عنوان مثال، عدم تعادل در سطوح سدیم و کلرید عرق میتواند به تشخیص فیبروز کیستیک کمک کند.
دکتر وی گائو، مهندس و دانشجوی فوق دکترا در دانشگاه برکلی کالیفرنیا، توضیح داد که اما اغلب نمونه‌های عرق در یک زمان خاص گرفته میشوند و بعدا با استفاده از تجهیزات بسیار بزرگ (غیر قابل حمل) آنالیز میشوند، که بنا بر گفته گائو، با این روش ارائه پاسخ در زمان واقعی شکست میخورد.
بیوسنسورهای پوشیدنی قابل انعطافی که گائو و همکارانش توسعه دادهاند، امکان جمع‌آوری مداوم اطلاعات در مورد محتویات عرق را در حین حرکت افراد فراهم میکند. این دستگاه کوچک از سنسورهای الکترونیکی ریزی استفاده میکند که روی نوار پلاستکی قرار داده شدهاند که بر روی سر یا مچ دست بسته میشوند و به طور همزمان دمای بدن، متابولیت‌هایی از جمله گلوکز و لاکتات و الکترولیت‌هایی مانند سدیم و پتاسیم را اندازه گیری میکند.
داده ها را میتواند به صورت بی‌سیم به یک دستگاه مانند تلفن همراه منتقل کند و امکان آنالیز تقریباً فوری را فراهم نماید. گائو گفت: اکنون می‌توانیم در هر ثانیه داده‌ها را جمع‌آوری کنیم و عرق را در زمان واقعی آنالیز کنیم.
پایش در زمان واقعی نیز می تواند در درمان یا تحقیقات سوء مصرف مواد بسیار مهم باشد. در ماه مه، موسسه ملی سوء مصرف الکل به‌عنوان بخشی از مسابقه‌ای که با هدف تسریع رشد و توسعه پایشگرهای مداوم الکل خون برگزارشد، 200،000 دلار به Bactrack، یک شرکت مستقر در سان‌فرانسیسکو، اعطا نمود. BACtrack یک مچ بند پایشگر توسعه داده که خروج الکل از پوست را تشخیص می‌دهد و اطلاعات را از طریق بلوتوث به تلفن هوشمند ارسال میکند. جایزه 100000 دلاری مقام دوم به یک استارتاپ مستقر در سانتا باربارا به نام Milo برای پایشگر مچی (مچ دست) که مولکول‌های اتانول را نیز با استفاده از سنسور پوست شناسایی می کند، تعلق گرفت.
در حال حاضر، مچ بندهای پا توسط مجریان قانون برای نظارت بر مصرف الکل در بین افرادی که مرتکب جرایم مرتبط با الکل شدهاند استفاده می‌شود. با این حال، این دستگاه‌ها فقط هر 30 دقیقه یک بار خوانش را انجام میدهند. دستگاههای دقیق‌تری که به عنوان بخشی از مسابقه ایجاد شده نیز ممکن است برای کمک به ارزیابی دقیق مصرف الکل در بین افراد تحت درمان یا شرکت‌کنندگان در کارآزمایی‌های بالینی مفید باشد. داده‌های زمان واقعی ممکن است به پزشکان اجازه دهد تا در صورت عود بیماری به سرعت مداخله کنند.
برای تسهیل چنین استفاده روزمرهای، توسعه‌دهندگان بر شرایط واقعی تمرکز میکنند. وسایل الکترونیکی در سنسور عرق گائو به‌گونه‌ای طراحی شدهاند که 2 ساعت ورزش شدید در فضای باز را تحمل کنند. برای راحتی بیشتر سنسورهای پوشیدنی، وانگ و همکارانش در UCSD روشی را در سال 2012 ابداع کردند که سنسورها روی یک تاتو (خالکوبی) موقت اسکرین پرینت شد.
برای جذاب و سرگرم‌کننده ساختن بیشتر دستگاه‌ها، تعدادی الکترود با طرح‌هایی مانند حروف یا صورتک چاپ شده است. در حالی که این فناوری به دلیل همکاری‌های چند رشته‌ای و پشتیبانی فناوری با سرعت زیادی توسعه مییابد، اما کاربردهای واقعی و بالینی این ابزارها هنوز در حال بررسی است. گائو گفت که تشخیص در زمان واقعی دهیدراسیون (کم‌آبی بدن) ممکن است یکی از کاربردهای آن باشد. در حال حاضر، برخی از سنسورهای پوشیدنی دهیدراسیون در مراکز بالینی ارتش در حال آزمایش هستند.
کوین پاتریک، استاد پزشکی خانواده و پیشگیری در UCSD و یکی از همکاران Wang، گفت: مرکز UCSD به توسعه سنسورهایی علاقه مند است که ممکن است دهیدراسیون، کمبودهای تغذیه ای و سایر عواملی که میتواند “زمینه ساز از حال رفتن (زمین خوردن ناگهانی) ناشی از ضعف، مشکلات تعادلی، عملکرد ضعیف عضلانی و بسیاری از مشکلات پیری باشدʺ را تشخیص دهد. او خاطر نشان کرد: چنین نظارت خانگی ممکن است به “مشخص کردن اینکه چه کسی به کمک نیاز دارند و چه کسی خوب به نظر می‌رسد” کمک کند. داشتن این اطلاعات در زمان واقعی ممکن است به پزشک اجازه دهد تا قبل از وقوع زمین خوردن مداخله کند. یک شرکت بیوتکنولوژی مستقر در ماساچوست، MC10، یک سنسور زیستی به اندازه کارت ویزیت را برای محققانی که افراد مبتلا به بیماری‌های مزمن را مورد مطالعه قرار میدهند، بازاریابی میکند. شرکت داروسازی UCB از این دستگاه جهت نظارت بر حرکت در مطالعه بیماران تحت درمان مبتلا به پارکینسون استفاده میکند.
چالش‌های پیش رو
به گفته گائو، قبل از اینکه این سنسورها بتوانند به پزشکان در نظارت بر بیماران در زمان واقعی کمک کنند، به اعتبارسنجی بالینی بیشتری نیاز است تا اطمینان حاصل شود که اندازه‌گیری‌های آنها و شرایط جسمی فرد مرتبط است.
پاتریک افزود، اکثر دستگاه‌ها واقعاً در “مرحله اثبات مفهوم و محتوا” هستند. پاتریک هشدار داد که کارهای زیادی پیش‌روی استفاده بالینی است، به‌ویژه برای دستگاه‌هایی که برای افراد مسن‌تر یا کسانی که به بیماری مزمن مبتلا هستند، در نظر گرفته شده است.
چالش دیگر کمک به پزشکان در استفاده مفید و معنادار از حجم داده‌هایی است که این دستگاه‌ها ایجاد میکنند. پاتریک خاطر نشان کرد که در حال حاضر اکثر پزشکان برای استفاده از داده‌های برنامه‌های سلامت و ردیاب‌های تناسب اندام درزمان محدودی که در مطبشان حضور دارند، تلاش میکنند. او پیش‌بینی کرد که شرکت‌های فناوری بعنوان نقش «مرد میانی یا واسطه» وارد خواهندشد و داده‌ها را به‌صورت اطلاعات مهم بالینی تحلیل خواهند کرد.
بنا به گفته دکتر پاتریک، ما، تقریبا در مورد همه این سنسورها، هنوز در مراحل اولیه توسعه هستیم. اما خلاقیت و نوآوری به کار رفته در این موضوعات توسط مهندسان واقعا شگفت‌انگیز است و احتمالابسیاری از جنبه‌های پزشکی متحول خواهد شد.
Resource: Kuehn, B. M. (2016). Wearable biosensors studied for clinical monitoring and treatment. Jama, 316(3), 255-257
بدون دیدگاه