Una versión del sensor de sudor. Las grandes secciones curvas son electrodos que estimulan la producción de sudor. Crédito: Caltech
Si alguna vez le han extraído sangre, ya sea para controlar el colesterol, la función renal, los niveles hormonales, el azúcar en la sangre o como parte de un chequeo general, es posible que se haya preguntado por qué no existe una manera más fácil y menos dolorosa.
Ahora podría haber. Un equipo de investigadores del Departamento de Ingeniería Médica de Cherng de Caltech ha presentado un nuevo sensor portátil que puede detectar en el sudor humano incluso niveles diminutos de muchos nutrientes comunes y compuestos biológicos que pueden servir como indicadores de la salud humana.
La tecnología del sensor se desarrolló en el laboratorio de Wei Gao, profesor asistente de ingeniería médica, investigador del Heritage Medical Research Institute y becario Ronald y JoAnne Willens. Durante años, la investigación de Gao se ha centrado en sensores portátiles con aplicaciones médicas, y este último trabajo representa la iteración más precisa y sensible hasta el momento.
«Hemos hecho sensores de sudor portátiles antes», dice. «Había tantos biomarcadores que queríamos detectar, pero en el pasado no podíamos. No había una buena manera».
Gao dice que las versiones anteriores de sus sensores de sudor se basaban en enzimas incrustadas en ellos para detectar un número limitado de compuestos relevantes. Si bien los anticuerpos podrían usarse en sensores para detectar más compuestos en bajas concentraciones, esa técnica tenía una gran debilidad: los anticuerpos en el sensor solo pueden usarse una vez, lo que significa que los sensores se desgastarán.
La nueva tecnología de sensores incluye lo que Gao llama polímeros impresos molecularmente, que son como anticuerpos artificiales reutilizables. Para imaginar cómo funcionan, imagine un objeto hipotético con forma de signo más. Si toma ese objeto y vierte caucho de silicona sobre él, deja que el caucho se endurezca y luego extrae la molécula del caucho, ahora tiene un trozo de caucho con un hueco en forma de plus. Solo los objetos con el mismo tamaño y forma encajarán bien en el hueco.
Los polímeros impresos molecularmente funcionan de la misma manera, pero en una escala mucho menor. Si quieres hacer un sensor que pueda detectar, por ejemplo, el aminoácido glutamina, preparas el polímero con las moléculas de glutamina dentro. Luego, a través de un proceso químico, elimine la glutamina y tendrá un polímero con agujeros que tienen la forma exacta de la glutamina.
La innovación de Gao es combinar ese polímero especialmente formado con un material que puede oxidarse o reducirse bajo un voltaje eléctrico aplicado cuando entra en contacto con el sudor humano. Mientras esos agujeros en forma de glutamina estén abiertos, el sudor entra en contacto con la capa interna del sensor y se genera una señal eléctrica. Pero a medida que las moléculas de glutamina entran en contacto con el polímero, se deslizan por los agujeros que se les hicieron.
Esquemas e imágenes del biosensor portátil ‘NutriTrek’. aLos nutrientes circulantes como los AA están asociados con diversas condiciones fisiológicas y metabólicas. bEsquema del ‘NutriTrek’ portátil que permite el control metabólico a través de una fusión sinérgica de LEG, RAR y anticuerpos artificiales. C,dEsquema (C) y ensamblaje de capas (d) del parche de microfluidos ‘NutriTrek’ para inducción de sudor, muestreo y biodetección. T, temperatura. mi,FImágenes de un parche sensor flexible (mi) y un sistema portátil con interfaz de piel (F). Barras de escala, 5 mm (mi) y 2 cm (F). gramo, Diagrama de bloques del sistema electrónico de ‘NutriTrek’. Los módulos resaltados en guiones rojos están incluidos en la versión de reloj inteligente. CPU, unidad central de procesamiento; POT, potenciometría; In-Amp, amplificador de instrumentación; MCU, microcontrolador; TIA, amplificador de transimpedancia; IP, iontoforesis; CE, contraelectrodo; RE, electrodo de referencia; WE, electrodo de trabajo. hAplicación móvil personalizada para seguimiento metabólico y nutricional en tiempo real. i, reloj inteligente ‘NutriTrek’ con un parche sensor desechable y una pantalla electroforética. Barras de escala, 1 cm (arriba) y 5 cm (abajo). Crédito: Naturaleza Ingeniería Biomédica (2022). DOI: 10.1038/s41551-022-00916-z
A medida que esos agujeros se tapan con moléculas de glutamina, menos sudor puede contactar con la capa interna y la señal eléctrica se vuelve más débil. Al monitorear esa señal eléctrica, los investigadores pueden deducir cuánta glutamina está presente en el sudor. Más glutamina significa una señal más débil. Menos glutamina da como resultado una señal más fuerte.
«Esta estrategia única nos permite detectar los nueve aminoácidos esenciales y múltiples vitaminas», dice Gao. «Podemos hacerlos todos continuamente».
Y a diferencia de los anticuerpos, el polímero se puede «limpiar» fácilmente para su reutilización mediante la aplicación de una señal eléctrica débil que destruye la molécula objetivo o vacía el agujero en el que estaba.
La segunda innovación en la investigación de Gao es el uso de microfluidos, una tecnología que utiliza pequeños canales de menos de un cuarto de milímetro de ancho para manipular pequeñas cantidades de fluidos. Los microfluidos permiten que el sensor funcione incluso cuando hay presente una cantidad minúscula de sudor.
La piel humana puede ser estimulada artificialmente para que sude moléculas de drogas administradas por corriente eléctrica, pero los sensores anteriores requerían más sudor y, por lo tanto, más corriente, lo que podía ser incómodo para el usuario, dice Gao. Gracias a la microfluídica y al uso de un tipo diferente de fármaco, el sensor ahora necesita menos sudor y la corriente necesaria para generar el sudor puede ser muy pequeña.
«Este diseño de microfluidos nos permite usar corrientes muy pequeñas», dice. «Podemos estimular de cuatro a cinco horas de sudor con varios minutos de estimulación con decenas de microamperios».
Hasta ahora, se ha demostrado que la tecnología de sensores funciona en sujetos humanos en entornos de laboratorio. Gao espera probarlo en ensayos humanos a mayor escala.
«Este enfoque nos permite detectar un montón de nuevos nutrientes y metabolitos cruciales. Podemos monitorear cuándo comemos y ver cómo cambian los niveles de nutrientes», dice. «No solo monitorea los nutrientes, sino también las hormonas y las drogas. Puede proporcionar un monitoreo continuo para muchas condiciones de salud».
El artículo que describe la investigación aparece el 15 de agosto en la revista Naturaleza Ingeniería Biomédica.
Lo que dice tu sudor sobre tu salud
Minqiang Wang et al, Un biosensor electroquímico portátil para el monitoreo de metabolitos y nutrientes, Naturaleza Ingeniería Biomédica (2022). DOI: 10.1038/s41551-022-00916-z
Citación: El nuevo sensor portátil detecta aún más compuestos en el sudor humano (16 de agosto de 2022) consultado el 16 de agosto de 2022 en https://medicalxpress.com/news/2022-08-wearable-sensor-compounds-human.html
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