Northwestern University onthult draagbaar apparaat om huidademing te meten

Onderzoekers van Northwestern University hebben het eerste draagbare apparaat ontwikkeld voor het meten van gassen die door de huid worden uitgezonden en geabsorbeerd. Door deze gassen te analyseren, biedt het apparaat een nieuwe manier om de gezondheid van de huid te beoordelen, inclusief het monitoren van wonden, detecteren van huidinfecties, het bijhouden van hydratatieniveaus, het kwantificeren van blootstelling aan schadelijke omgevingschemicaliën, en meer.

Sensoren en meetprincipes

De nieuwe technologie omvat een verzameling sensoren die nauwkeurig veranderingen in temperatuur, waterdamp, kooldioxide (CO2) en vluchtige organische verbindingen (VOC's) meten, die elk waardevolle inzicht geven in diverse huidaandoeningen en algehele gezondheid. Deze gassen stromen in een kleine kamer binnen het apparaat die boven de huid zweeft zonder deze daadwerkelijk aan te raken. Dit contactloze ontwerp is bijzonder nuttig voor het verzamelen van informatie over kwetsbare huid zonder delicate weefsels te storen.

De studie, gepubliceerd in Nature, demonstreert de effectiviteit van het apparaat bij zowel kleine dieren als mensen.

Evolutie van zweetsensoren naar gasanalyse

"Dit apparaat is een natuurlijke evolutie van onze lab's draagbare elektronische apparaten die zweet verzamelen en analyseren," aldus Northwestern's John A. Rogers, die de studie mede-leidde. "In dat geval analyseerden we zweet om te leren over de algehele gezondheid van de drager. Hoewel nuttig, vereist die methode farmacologische stimulatie van zweetklieren of blootstelling aan een hete, vochtige omgeving. We begonnen na te denken over wat we van de huid konden vangen dat natuurlijk de hele tijd voorkomt. Het blijkt dat er allerlei dingen van het oppervlak van de huid afkomen — waterdamp, kooldioxide, en vluchtige organische verbindingen — die gecorreleerd kunnen worden met onderliggende fysiologische gezondheid."

Klinische toepassingen voor kwetsbare populaties

"Deze technologie heeft het potentieel om klinische zorg te transformeren, met name voor kwetsbare populaties, zoals pasgeborenen, ouderen, patiënten met diabetes, en anderen met gecompromiseerde huid," aldus Northwestern's Guillermo A. Ameer, die de studie mede-leidde. "De schoonheid van ons apparaat is dat we een volledig nieuwe manier vonden om de status van kwetsbare huid te beoordelen zonder in contact te komen met wonden, ulceraties, of afschuringen. Dit apparaat is de eerste grote stap naar het meten van veranderingen in gassen en het correleren van die veranderingen met de huidstatus."

Huidbarrière en waterverlies

De huidbarrière, de uiterste laag van de huid, is de eerste verdedigingslijn van het lichaam tegen de externe omgeving. Het handhaaft hydratatie door overmatig waterverlies te voorkomen en fungeert als barrière tegen irritantien, bacteriën, en ultraviolette straling. Wanneer de huidbarrière gecompromitteerd is, kan dit leiden tot verhoogd waterverlies (bekend als transepidermale waterverlies of TEWL), huidgevoeligheid, en risico op infectie, en inflammatoire aandoeningen zoals eczeem en psoriasis.

"De huid is cruciaal voor het beschermen van ons tegen de omgeving," aldus studie co-auteur Dr. Amy Paller, professor Dermatologie en voorzitter van de afdeling Dermatologie aan Feinberg. "Een belangrijk element van deze beschermende functie is de huidbarrière, die grotendeels gekenmerkt wordt door een formidable verzameling dicht geweven eiwitten en vetten die water inhouden en irritantien, toxinen, microben en allergenen uithouden."

Voordelen van continue, remote monitoring

Door veranderingen in de emissie van waterdamp en gassen van de huid te tracken, kunnen gezondheidszorgprofessionelen een kijkje krijgen in de integriteit van de huidbarrières van hun patiënten. Terwijl technologieën om waterdampverlies te meten bestaan, zijn het grote, onhandige machines die grotendeels in ziekenhuisomgevingen verblijven. Het compacte draagbare apparaat daarentegen is ontworpen om artsen te helpen hun patiënten op afstand te monitoren en individuen te empowern om controle te nemen over hun eigen huidgezondheid thuis.

"De gouden standaard voor meting van huidbarrière-integriteit is een groot instrument met een probe dat intermitterend de huid aanraakt om informatie te verzamelen over transepidermale waterverlies — of de flux van water door de huid," aldus Paller. "Een apparaat hebben dat transepidermale waterverlies remote, continu of zoals geprogrammeerd door de onderzoeker kan meten — en zonder een patiënt tijdens de slaap te storen — is een grote vooruitgang."

Technische specificaties

Het apparaat meet slechts twee centimeter lang en anderhalf centimeter breed, en omvat een kamer, een verzameling sensoren, een programmeerbare klep, een elektronisch circuit, en een kleine oplaadbare batterij. In plaats van de huid direct aan te raken, zweeft de kamer een paar millimeters erboven.

"Traditionele draagbare sensoren vertrouwen op fysiek contact met de huid, wat hun gebruik beperkt in gevoelige situaties, zoals wondzorg of voor individuen met kwetsbare huid," aldus Rogers. "Ons apparaat overkomt deze beperking door een kleine, gesloten kamer boven het huidoppervlak te creëren."

Een automatische klep opent en sluit de toegang tot deze kamer — een functie die dynamisch de toegang tussen de gesloten kamer en de omringende omgevingslucht controleert. Wanneer de klep open is, stromen gassen in of uit de kamer, wat het apparaat in staat stelt een baselinemeting vast te leggen. Vervolgens, wanneer de klep snel sluit, vangt het gassen binnen de kamer. Daarvanuit meten de reeks sensoren veranderingen in gasconcentraties over tijd.

"Als ons apparaat geen programmeerbare klep en een tijd-dynamische meetbenadering had om de flux van soorten uit en in de huid te kwantificeren op een real-time manier, dan zou het systeem verward kunnen worden door veranderingen in de concentraties van die soorten die natuurlijk in de omgeving kunnen variëren," aldus Rogers. "Als de klep constant open was, zou de sensor deze veranderingen detecteren — niet vanwege iets geassocieerd met de huid. Aan de andere kant, als de klep altijd gesloten was, dan zou het natuurlijke patronen van flux storen op een manier die ook niet voor omgevingsfactoren kon corrigeren. Voor werkers in potentieel gevaarlijke omgevingen is het nuttig te weten hoeveel van die gevaarlijke soorten het lichaam binnendringen door de huid."

Dataoverdracht en klinische toepassing

Via Bluetooth stuurt het apparaat deze data rechtstreeks naar een smartphone of tablet voor real-time monitoring. Deze snelle resultaten kunnen gezondheidszorgwerkers helpen meer geïnformeerde — en snellere — beslissingen te nemen voor wondbeheer en het toedienen van antibiotica.

Omdat verhoogde waterdamp, CO2 en VOC's geassocieerd zijn met bacteriële groei en vertraagd genezen, kan het monitoren van deze factoren zorggivers helpen infecties eerder en met meer vertrouwen te detecteren.

"Antibiotica voorschrijven voor wonden kan een beetje een gokje zijn," aldus Ameer, expert op regeneratieve engineering benaderingen voor wondgenezing. "Soms is het moeilijk te vertellen of een wond geïnfecteerd is of niet. Op het moment dat het duidelijk is, kan het te laat zijn, en de patiënt kan sepsis ontwikkelen, wat ongelooflijk gevaarlijk is. Om dit te voorkomen, voorschrijven artsen een breed spectrum antibiotica. Dat kan leiden tot antibiotica-resistentie, wat een groeiend probleem is in de gezondheidszorg. In staat zijn om een wond nauwkeurig, continu te monitoren en een antibiotica op het vroegste teken van infectie te voorschrijven is een duidelijk en belangrijk belang."

Terwijl continue monitoring belangrijk is voor alle typen wonden, is het bijzonder cruciaal voor diabetespatiënten. Ameer heeft eerder diverse strategieën ontwikkeld, waaronder antioxidant-gels en regeneratieve verbanden, voor het behandelen van diabetische ulceraties. Net twee jaar geleden werkte Ameer samen met Rogers om de eerste transe elektronische verband te creëren, die elektrische stimulatie gebruikte om wondgenezing te versnellen. Deze nieuwe wearable biedt nog een ander hulpmiddel om deze kwetsbare patiënten te helpen risicovolle bijwerkingen te vermijden.

"Diabetische ulceraties zijn de nummer een niet-traumatische oorzaak van onderbeenamputaties wereldwijd," aldus Ameer. "Soms lijkt het alsof de wond dichtgaat, maar de huidbarrièrefunctie is nog niet volledig hersteld. Ons apparaat kan de uitgezonden gassen precies meten, wat nuttige informatie geeft over de huidbarrièrefunctie."

Toekomstige uitbreidingen

Deze innovatieve technologie biedt niet alleen ongekende inzichten in wondgenezing en huidgezondheid, het kan ook de weg banen voor vooruitgang in het monitoren van de effectiviteit van insectenwerende middelen, huidcrèmes, en systemische medicijnen ontworpen om de huidgezondheid te verbeteren.

CO2 en VOC's zijn de gassen die muggen en andere plagen aantrekken. Het meten van deze emissies van de huid kan onderzoekers helpen muggenaantrekking te begrijpen en potentiëel te mitigeren. Het nieuwe apparaat kan ook dermatologen en hun patiënten in staat stellen te meten hoe snel lotions en crèmes de huid penetreren, wat inzicht kan geven in huidpermeabiliteit en barrièrefunctie. Deze data kunnen ook andere onderzoekers helpen om effecterdere transdermale drug delivery systemen te ontwikkelen, de effecten van systemisch afgeleverde medicijnen voor huidaandoeningen te monitoren, en de veiligheid van cosmetica en persoonlijke verzorgingsproducten te evalueren.

Vervolgens plannen het Northwestern-team de capaciteiten van het apparaat te verfijnen, inclusief het toevoegen van een sensor om veranderingen in pH-niveaus te tracken en het ontwikkelen van gassensoren met verhoogde chemische selectiviteit voor vroege detectie van orgaandysfunctie en andere ziekten.

"Dit ongewone draagbare platform biedt een nieuwe manier om over huidgezondheid na te denken en te begrijpen," aldus Rogers. "Deze technologie gaat niet alleen over het meten van gassen en het correleren van kenmerken van de huid. Het gaat om het voorspellen van algehele gezondheid, het voorkomen van infectie en ziekte en het creëren van een toekomst waar gepersonaliseerde zorg gedreven wordt door real-time, non-invasieve, continue gezondheidstracking door een nieuwe verzameling parameters die aanvullen op die welke vastgelegd kunnen worden met conventionele wearables."

Bron: Northwestern University