Bezigłowy pomiar sodu we krwi: technologia terahercowa z optoakustyką wkracza do medycyny
W nowym badaniu naukowcy zaprezentowali możliwość długoterminowego, nieinwazyjnego monitorowania poziomu sodu we krwi za pomocą systemu łączącego detekcję optoakustyczną z spektroskopią terahercową. Dokładny pomiar stężenia sodu we krwi ma kluczowe znaczenie w diagnostyce i leczeniu takich schorzeń jak odwodnienie, choroby nerek oraz niektóre zaburzenia neurologiczne i endokrynologiczne.
Promieniowanie terahercowe, które mieści się pomiędzy falami mikrofalowymi a średnią podczerwienią w widmie elektromagnetycznym, jest idealne do zastosowań biologicznych – ma niską energię, jest nieszkodliwe dla tkanek, mniej się rozprasza niż światło w zakresie bliskiej podczerwieni czy widzialnym i jest wrażliwe na zmiany strukturalne i funkcjonalne w materiałach biologicznych.
– W zastosowaniach biomedycznych spektroskopia terahercowa wciąż napotyka dwa główne wyzwania: detekcję cząsteczek innych niż woda w złożonych próbkach biologicznych oraz przenikanie przez grube warstwy tkanek w celu detekcji wewnątrz ciała – powiedział lider zespołu badawczego, dr Zhen Tian z Uniwersytetu w Tiencinie w Chinach. – Dzięki dodaniu detekcji optoakustycznej udało nam się przezwyciężyć te przeszkody i po raz pierwszy wykazać możliwość in vivo detekcji jonów przy użyciu fal terahercowych. To ważny krok w kierunku zastosowania technologii terahercowej w praktyce klinicznej.
W czasopiśmie Optica, będącym flagowym periodykiem Optica Publishing Group, autorzy opisują swój nowy, wielospektralny system terahercowy z detekcją optoakustyczną i pokazują, że może być on używany do nieinwazyjnego, długoterminowego monitorowania stężenia sodu u żywych myszy – bez konieczności stosowania znaczników. Obiecujące były również wstępne testy z udziałem ludzkich ochotników.
– Po dalszym rozwinięciu ta technologia może być używana do monitorowania poziomu sodu u pacjentów bez konieczności pobierania krwi – zaznaczył Tian. – Pomiary w czasie rzeczywistym mogłyby pomóc w bezpiecznym korygowaniu zaburzeń gospodarki sodowej u pacjentów w stanie krytycznym, ograniczając ryzyko niebezpiecznych powikłań neurologicznych towarzyszących gwałtownym zmianom stężenia sodu.
Dźwięk pomaga wyciszyć zakłócenia
To badanie stanowi część większego projektu ukierunkowanego na rozwój i wdrożenie technologii terahercowej w medycynie z wykorzystaniem metod optoakustycznych. Jednym z głównych celów projektu jest redukcja zakłóceń sygnału wywoływanych przez wodę, która silnie pochłania promieniowanie terahercowe.
Aby przezwyciężyć te zakłócenia, naukowcy opracowali modułowy system, który emituje fale terahercowe na próbkę. Gdy są one absorbowane przez próbkę, powodują drgania jonów sodu powiązanych z cząsteczkami wody we krwi, co generuje fale ultradźwiękowe wykrywane przez przetwornik ultradźwiękowy. Technika ta, zwana detekcją optoakustyczną, konwertuje pochłoniętą energię terahercową na fale dźwiękowe, które można zmierzyć.
– Technologia terahercowej optoakustyki stanowi przełom w zastosowaniach biomedycznych, skutecznie przełamując barierę absorpcji wody, która dotąd ograniczała możliwości tej technologii – dodał Tian. – Znaczenie tego rozwiązania wykracza daleko poza samą detekcję sodu. Technologia ta ma potencjał wykrywania wielu biomolekuł – w tym cukrów, białek i enzymów – poprzez ich unikalne widma absorpcyjne w zakresie terahercowym.
Śledzenie sodu bez igieł
Aby przetestować system, naukowcy wykazali, że umożliwia on pomiar wzrostu poziomu sodu w naczyniach krwionośnych pod skórą żywych myszy z rozdzielczością czasową rzędu milisekund przez ponad 30 minut. Pomiary prowadzono na uchu, a powierzchnię skóry schładzano do 8°C, by stłumić tło optoakustyczne związane z wodą.
Zespół badawczy wykazał także, że system pozwala szybko odróżnić wysokie i niskie poziomy sodu w próbkach ludzkiej krwi. Finalnie dokonano nieinwazyjnych pomiarów stężenia jonów sodu w naczyniach krwionośnych dłoni zdrowych ochotników. Okazało się, że mierzony sygnał optoakustyczny sodu był proporcjonalny do ilości przepływającej krwi pod powierzchnią skóry, mimo braku chłodzenia skóry. Choć potrzeba dalszych badań, wyniki sugerują, że system może być przydatny do nieinwazyjnego monitorowania w czasie rzeczywistym.
Naukowcy wskazują, że przystosowanie systemu do zastosowań klinicznych u ludzi będzie wymagało identyfikacji odpowiednich miejsc detekcji na ciele, takich jak wnętrze jamy ustnej, które tolerują szybkie chłodzenie i umożliwiają silne wykrywanie sygnału przy minimalnym tle wodnym. Równolegle trwają prace nad alternatywnymi metodami przetwarzania sygnału, które mogłyby eliminować zakłócenia wodne bez konieczności chłodzenia – co znacząco zwiększyłoby użyteczność metody w diagnostyce klinicznej.
Źródło: Optica
