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Ein Cal Tech-Forscherteam unter der Leitung von Wei Gao, einem Professor für Biomedizintechnik, hat einen tragbaren Sensor entwickelt, der den Gehalt an Metaboliten und Nährstoffen im Blut einer Person überwacht, indem er ihren Schweiß analysiert.Bisherige Schweißsensoren zielten hauptsächlich auf Verbindungen ab, die in hohen Konzentrationen vorkommen, wie etwa Elektrolyte, Glukose und Laktat.Dieses neue Gerät ist empfindlicher und erkennt Schweißverbindungen in viel geringeren Konzentrationen.Außerdem ist es einfacher herzustellen und kann in Massenproduktion hergestellt werden.
Das Ziel des Teams ist ein Sensor, der es Ärzten ermöglicht, den Zustand von Patienten mit Krankheiten wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes und Nierenerkrankungen kontinuierlich zu überwachen, die alle zu abnormalen Mengen an Nährstoffen oder Metaboliten im Blutkreislauf führen.Den Patienten wäre es besser, wenn ihr Arzt mehr über ihren persönlichen Zustand wüsste, und diese Methode vermeidet Tests, die Nadeln und Blutentnahmen erfordern.
„Solche tragbaren Schweißsensoren könnten schnell, kontinuierlich und nichtinvasiv Veränderungen im Gesundheitszustand auf molekularer Ebene erfassen“, sagt Gao.„Sie könnten eine personalisierte Überwachung, Frühdiagnose und rechtzeitige Intervention ermöglichen.“
Der Sensor basiert auf Mikrofluidik, die kleine Flüssigkeitsmengen manipuliert, normalerweise durch Kanäle mit einer Breite von weniger als einem Viertelmillimeter.Mikrofluidik eignet sich ideal für eine Anwendung, da sie den Einfluss von Schweißverdunstung und Hautkontamination auf die Sensorgenauigkeit minimiert.Während frisch zugeführter Schweiß durch die Mikrokanäle des Sensors fließt, misst dieser genau die Zusammensetzung des Schweißes und erfasst Konzentrationsänderungen im Laufe der Zeit.
Gao und seine Kollegen sagen, dass tragbare Sensoren auf Mikrofluidikbasis bisher meist mit einem Lithographie-Verdampfungs-Ansatz hergestellt wurden, der komplizierte und teure Herstellungsprozesse erfordert.Sein Team entschied sich dafür, seine Biosensoren aus Graphen herzustellen, einer plattenförmigen Form von Kohlenstoff.Sowohl die auf Graphen basierenden Sensoren als auch die Mikrofluidikkanäle werden durch das Gravieren der Kunststoffplatten mit einem Kohlendioxidlaser erzeugt, einem Gerät, das so weit verbreitet ist, dass es auch für Hobbybastler erhältlich ist.
Das Forschungsteam hat seinen Sensor so konzipiert, dass er neben den Harnsäure- und Tyrosinspiegeln auch die Atem- und Herzfrequenz misst.Tyrosin wurde ausgewählt, weil es ein Indikator für Stoffwechselstörungen, Lebererkrankungen, Essstörungen und neuropsychiatrische Erkrankungen sein kann.Die Wahl fiel auf Harnsäure, da diese bei erhöhten Konzentrationen mit Gicht in Verbindung gebracht wird, einer schmerzhaften Gelenkerkrankung, die weltweit auf dem Vormarsch ist.Gicht tritt auf, wenn ein hoher Anteil an Harnsäure im Körper in den Gelenken, insbesondere an den Füßen, zu kristallisieren beginnt und Reizungen und Entzündungen verursacht.
Um zu sehen, wie gut die Sensoren funktionieren, testeten die Forscher sie an gesunden Personen und Patienten.Um den Tyrosinspiegel im Schweiß zu überprüfen, der von der körperlichen Fitness einer Person abhängt, verwendeten sie zwei Personengruppen: trainierte Sportler und Personen mit durchschnittlicher Fitness.Wie erwartet zeigten die Sensoren einen geringeren Tyrosinspiegel im Schweiß der Athleten an.Um den Harnsäurespiegel zu überprüfen, überwachten die Forscher den Schweiß einer Gruppe gesunder Personen, die fasteten, und auch nachdem die Probanden eine Mahlzeit zu sich genommen hatten, die reich an Purinen war – Verbindungen in der Nahrung, die zu Harnsäure verstoffwechselt werden.Der Sensor zeigte einen Anstieg des Harnsäurespiegels nach der Mahlzeit an.Gaos Team führte einen ähnlichen Test mit Gichtpatienten durch.Der Sensor zeigte, dass ihr Harnsäurespiegel viel höher war als der von gesunden Menschen.
Um die Genauigkeit der Sensoren zu überprüfen, entnahmen und überprüften die Forscher Blutproben von Gichtpatienten und gesunden Probanden.Die Messungen des Harnsäurespiegels durch die Sensoren korrelierten stark mit dem Harnsäurespiegel in ihrem Blut.
Laut Gao bedeuten die hohe Empfindlichkeit der Sensoren und die einfache Herstellung, dass sie möglicherweise von Patienten zu Hause zur Überwachung von Erkrankungen wie Gicht, Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen eingesetzt werden könnten.Mit genauen Echtzeitinformationen über ihren Gesundheitszustand könnten Patienten sogar ihre Medikamentendosen und Ernährung nach Bedarf anpassen können.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 12. Dezember 2019