Un sensore fotoacustico, implementato in un cerotto cutaneo, potrebbe aiutare i medici a diagnosticare tumori, malfunzionamenti degli organi e altro ancora
I cerotti elettronici, basati su vari meccanismi, consentono il monitoraggio continuo e non invasivo delle biomolecole sulla superficie cutanea. Tuttavia, ad oggi, tali dispositivi non sono in grado di rilevare le biomolecole nei tessuti profondi, che hanno una correlazione più forte e più rapida con lo stato fisiologico umano rispetto a quelli sulla superficie della pelle. Recentemente, un team di ingegneri dell'University of California San Diego ha sviluppato un cerotto elettronico in grado di monitorare le biomolecole nei tessuti profondi, compresa l'emoglobina. Ciò offre ai professionisti medici un accesso senza precedenti a informazioni cruciali che potrebbero aiutare a individuare condizioni potenzialmente letali come tumori maligni, disfunzioni d'organo, emorragie cerebrali o intestinali e altro ancora.
«La quantità e la posizione dell'emoglobina nel corpo forniscono informazioni critiche sulla perfusione sanguigna o sull'accumulo in posizioni specifiche. Il nostro dispositivo mostra un grande potenziale nell'attento monitoraggio dei gruppi ad alto rischio, consentendo interventi tempestivi nei momenti urgenti», ha affermato il dottor Sheng Xu (1), professore di nanoingegneria presso l'UC San Diego e corrispondente autore dello studio».
Il documento, “A photoacoustic patch for three-dimensional imaging of hemoglobin and core temperature”, è stato pubblicato da Nature Communications. (2)
Una bassa perfusione sanguigna all'interno del corpo può causare gravi disfunzioni d'organo ed è associata a una serie di disturbi, inclusi attacchi di cuore e malattie vascolari delle estremità. Allo stesso tempo, l'accumulo anormale di sangue in aree come il cervello, l'addome o le cisti può indicare un'emorragia cerebrale o viscerale o tumori maligni. Il monitoraggio continuo può aiutare la diagnosi di queste condizioni e contribuire a facilitare interventi tempestivi e potenzialmente salvavita.
Il nuovo sensore supera alcune limitazioni significative nei metodi esistenti di monitoraggio delle biomolecole. La risonanza magnetica (MRI) e la tomografia computerizzata a raggi X si basano su apparecchiature ingombranti che possono essere difficili da procurarsi e di solito forniscono solo informazioni sullo stato immediato della molecola, il che le rende inadatte per il monitoraggio biomolecolare a lungo termine.
«Il monitoraggio continuo è fondamentale per interventi tempestivi per evitare che le condizioni potenzialmente letali peggiorino rapidamente», ha affermato Xiangjun Chen (3), studente di dottorato in nanoingegneria nel gruppo Xu e coautore dello studio. «I dispositivi indossabili basati sull'elettrochimica per il rilevamento di biomolecole, non limitati all'emoglobina, sono buoni candidati per applicazioni di monitoraggio indossabile a lungo termine. Tuttavia, le tecnologie esistenti raggiungono solo la capacità di rilevamento della superficie della pelle».
Il nuovo cerotto indossabile flessibile a basso fattore di forma si attacca comodamente alla pelle, consentendo un monitoraggio non invasivo a lungo termine. Può eseguire la mappatura tridimensionale dell'emoglobina con una risoluzione spaziale submillimetrica nei tessuti profondi, fino a centimetri sotto la pelle, rispetto ad altri dispositivi elettrochimici indossabili che rilevano solo le biomolecole sulla superficie della pelle. Può ottenere un elevato contrasto con altri tessuti. Grazie alla sua selettività ottica, può espandere la gamma di molecole rilevabili, integrando diversi diodi laser con diverse lunghezze d'onda, insieme alle sue potenziali applicazioni cliniche.
Il cerotto è dotato di array di diodi laser e trasduttori piezoelettrici nella sua morbida matrice polimerica di silicone. I diodi laser emettono laser pulsati nei tessuti. Le biomolecole nel tessuto assorbono l'energia ottica e irradiano onde acustiche nei mezzi circostanti.
«I trasduttori piezoelettrici ricevono le onde acustiche, che vengono elaborate in un sistema elettrico per ricostruire la mappatura spaziale delle biomolecole che emettono le onde», ha affermato il dottor Xiaoxiang Gao (4), ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Xu e coautore dello studio.
«Con i suoi impulsi laser a bassa potenza, è anche molto più sicuro delle tecniche a raggi X che hanno radiazioni ionizzanti», ha affermato Hongjie Hu (5), ricercatore post-dottorato nel gruppo Xu e coautore dello studio.
Sulla base del successo ottenuto finora, il team prevede di sviluppare ulteriormente il dispositivo, inclusa la riduzione del sistema di controllo back-end a un dispositivo di dimensioni portatili per l'azionamento di diodi laser e l'acquisizione di dati, ampliando notevolmente la sua flessibilità e la potenziale utilità clinica.
Il gruppo scientifico ha anche in programma di esplorare il potenziale del dispositivo indossabile per il monitoraggio della temperatura interna. «Poiché l'ampiezza del segnale fotoacustico è proporzionale alla temperatura, abbiamo dimostrato il monitoraggio della temperatura interna su esperimenti ex-vivo», ha detto Xu. «Tuttavia, la convalida del monitoraggio della temperatura interna sul corpo umano richiede una calibrazione interventistica».
Essi stanno continuando a lavorare con i medici per perseguire più potenziali applicazioni cliniche.
Il lavoro è stato sostenuto in parte dall'Air Force Research Laboratory con il numero di accordo FA8650-18-2-5402 e le sovvenzioni del National Institutes of Health 1R21EB025521-01 (SX), 1R21EB027303-01A1 (SX) e 3R21EB027303-02S1 (SX).
Riferimenti:
(1) Sheng Xu
(2) A photoacoustic patch for three-dimensional imaging of hemoglobin and core temperature
(3) Xiangjun Chen
(4) Xiaoxiang Gao
(5) Hongjie Hu
Descrizione foto: Il nuovo cerotto indossabile flessibile a basso fattore di forma si attacca comodamente alla pelle, consentendo un monitoraggio non invasivo a lungo termine. - Credit: Xiaoxiang Gao per la Jacobs School of Engineering della UC San Diego.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Wearable Skin Patch Monitors Hemoglobin in Deep Tissues