Rilevare i livelli di cloruro nel sudore aiuta a diagnosticare la fibrosi cistica / Detecting Chloride Levels in Sweat Helps Diagnose Cystic Fibrosis
Rilevare i livelli di cloruro nel sudore aiuta a diagnosticare la fibrosi cistica / Detecting Chloride Levels in Sweat Helps Diagnose Cystic Fibrosis
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Il sudore non si limita a raffreddare un corpo surriscaldato. Misurare la composizione chimica del sudore di un individuo, in particolare i livelli di cloruro, un componente chimico del sale, può fungere da sistema di allerta precoce per aiutare a diagnosticare la fibrosi cistica, una malattia genetica che danneggia i polmoni e l'apparato digerente.
Un gruppo di ricercatori della Penn State ha recentemente sviluppato un dispositivo indossabile in grado di monitorare con precisione i livelli di ioni cloruro nel sudore, essenziale per valutare lo stato di idratazione e patologie come la fibrosi cistica ed altre ancora. Il loro sensore consente il monitoraggio in tempo reale del sudore di una persona che si allena attraverso un progetto basato su idrogel che consente al dispositivo di funzionare con maggiore sensibilità, precisione ed efficienza, pur essendo riutilizzabile. La loro ricerca, disponibile online, sarà pubblicata nel numero di novembre di Biosensors and Bioelectronics.
"Il metodo tradizionale per misurare i livelli di ioni cloruro consiste nel recarsi in ospedale e sottoporsi alle misurazioni, il che è dispendioso in termini di tempo e denaro", ha affermato Wanqing Zhang, dottorando in ingegneria e meccanica e coautore dello studio. "I sensori indossabili che abbiamo sviluppato elaborano il sudore e monitorano i livelli di ioni cloruro in tempo reale, direttamente sul corpo di un soggetto. Questo fornisce ai ricercatori molte informazioni sulla salute di un individuo ed, in particolare per questo studio, può identificare gli elevati livelli di ioni cloruro che indicano la presenza di fibrosi cistica".
La tecnologia dei sensori indossabili non è una novità, con diversi altri dispositivi, compresi quelli che rilevano specifici biomarcatori nel sudore, nati proprio dalla ricerca della Penn State. Tuttavia, Zhang ha spiegato come i diversi modelli esistenti affrontino problematiche diverse. I sensori del sudore colorimetrici, che cambiano colore a seconda della presenza di una specifica sostanza chimica o reazione, non possono produrre letture reversibili. Se il sensore rileva livelli elevati di ioni cloruro, non può tornare allo stato neutro e misurare livelli bassi, il che significa che i ricercatori possono effettuare una sola lettura accurata prima di dover installare un nuovo sensore. Un altro modello, noto come sensore del sudore potenziometrico, funziona misurando la differenza di energia potenziale tra due elettrodi. Sebbene questi sensori offrano un monitoraggio continuo, hanno in genere una sensibilità limitata e si basano su costose membrane ionoselettive per funzionare.
Secondo Zhang, il nuovo sensore del gruppo di ricerca utilizza diversi tipi di idrogel, un materiale gelatinoso ricco di acqua e composto da reti di molecole connesse chiamate polimeri, per affrontare questi problemi contemporaneamente.
Il sensore del gruppo contiene una camera sudatoria, un idrogel selettivo per cationi (CH) con cationi mobili ed un idrogel ad alta salinità (HH) con un elevato contenuto di sale simile al sudore. Quando il sudore entra nella camera, la differenza di concentrazione salina tra il sudore e l'HH fa sì che i cationi mobili nel CH si spostino dal lato dell'HH al lato della camera sudatoria, generando una tensione a circuito aperto (OCV) tra i due punti. Tracciando questa tensione, che indica quanti ioni cloruro sono presenti nel campione di sudore, è possibile monitorare i livelli di ioni cloruro.
"In altri tipi di sensori, è estremamente difficile od impossibile tracciare efficacemente piccole fluttuazioni nei livelli di ioni cloruro", ha affermato Huanyu "Larry" Cheng, professore associato di Ingegneria e Meccanica presso il James L. Henderson, Jr. Memorial ed autore corrispondente dell'articolo. "Incorporando due diversi tipi di idrogel nel design del nostro sensore, possiamo misurare la variazione dell'OCV attraverso il sensore in tempo reale, il che significa che possiamo seguire la fluttuazione dei livelli di ioni cloruro nel sudore del nostro soggetto".
Tuttavia, l'utilizzo esclusivo di queste soluzioni di idrogel ha posto alcuni problemi, ha spiegato Zhang. L'idrogel è una rete di polimeri idrofili, ovvero materiali fortemente attratti dall'acqua, il che significa che acqua ed elettroliti potrebbero facilmente penetrare nei gel. Il gruppo ha utilizzato un materiale, noto come film PVDF-HFP, per isolare i propri idrogel dall'acqua o dagli elettroliti in eccesso, che potrebbero influire negativamente sulla precisione del sensore.
"Questa è stata la sfida principale che abbiamo dovuto affrontare durante lo sviluppo: quando utilizzavamo solo i due tipi di idrogel, l'acqua causava il rigonfiamento del gel, compromettendone le prestazioni", ha affermato Zhang. "Utilizzando il film PVDF-HFP come barriera tra l'idrogel, siamo riusciti a proteggerlo dall'acqua in eccesso, in modo che potesse stabilizzarsi efficacemente e facilitare l'OCV".
Per testare il sensore, il gruppo ha condotto due diversi esperimenti. Hanno prima raccolto il sudore di un soggetto che si allenava e lo hanno analizzato utilizzando il sensore separatamente dal corpo del soggetto. Hanno poi monitorato il sudore mentre il soggetto indossava il sensore durante l'allenamento, tracciando i livelli di ioni cloruro in un software che rappresenta graficamente le informazioni in tempo reale. Le letture di entrambi gli esperimenti sono state quindi confrontate per confermare l'accuratezza delle letture del sensore.
Il sensore raccoglie i dati molto rapidamente, misurando e visualizzando i livelli di ioni cloruro in meno di 10 secondi. Secondo Zhang, il sensore è significativamente più sensibile rispetto ai sensori esistenti, producendo letture con una precisione di 174 millivolt per decade, quasi il triplo del limite teorico di 59,2 millivolt per decade osservato nei sensori potenziometrici. Oltre all'eccellente reversibilità, Zhang ha spiegato come l'elevata coerenza ed indipendenza del sensore dalle letture precedenti garantisca letture facili ed accurate senza dover effettuare collegamenti tra più letture precedenti, migliorandone la riutilizzabilità.
Sebbene il loro sensore sia stato progettato principalmente per aiutare ad identificare i livelli di ioni cloruro indicativi della fibrosi cistica, Cheng ha affermato di credere che il progetto costituisca una solida base per futuri dispositivi indossabili in grado di rilevare altri biomarcatori.
"Questo sensore ha aperto la strada a sensori di cloruro economici, scalabili ed indossabili", ha affermato Cheng. "Riteniamo che la meccanica utilizzata nel nostro progetto possa essere adattata per monitorare in modo reversibile altri ioni o composti chimici presenti nel sudore, come il glucosio, il che fornirebbe ulteriori informazioni sulla salute di un soggetto. La meccanica potrebbe anche essere estesa a diverse applicazioni e piattaforme, oltre ai dispositivi indossabili, che stiamo attualmente esplorando".
ENGLISH
Researchers have developed a wearable sensor that can accurately measure the chloride ion levels of sweat in real time.
Sweat does more than just cool down an overheating body. Measuring the chemical makeup of an individual’s sweat — specifically the levels of chloride, a chemical component of salt — can serve as an early warning system to help inform the diagnosis of cystic fibrosis, a genetic disease that damages the lungs and digestive system.
A group of researchers at Penn State recently developed a wearable device capable of accurately tracking chloride ion levels in sweat, which is essential for evaluating hydration status and health conditions like cystic fibrosis and more. Their sensor allows for real-time tracking of an exercising person’s sweat through a hydrogel-based design that allows the device to operate with enhanced sensitivity, accuracy and efficiency, all while being reusable. Their research, available online, is set to publish in the November issue of Biosensors and Bioelectronics.
“The traditional method of measuring chloride ion levels is to go to a hospital and have the measurements taken, which is time consuming and expensive,” said Wanqing Zhang, a doctoral candidate in engineering science and mechanics and co-author of the paper. “The wearable sensors we developed process sweat and track chloride ion levels in real time, directly on a subject’s body. This gives researchers a lot of information about an individual's health and, specifically for this study, can identify the high chloride ion levels that signify the presence of cystic fibrosis.”
Wearable sensor technology is not new, with several other devices — including those that detect specific biomarkers in sweat — originating just from research at Penn State. However, Zhang explained how different existing designs face different major issues. Colorimetric based sweat sensors, which change color depending on the presence of a specific chemical or reaction, cannot produce reversible readings. If the sensor detects high chloride ion levels, it cannot revert to a neutral state and measure low levels, meaning that researchers can only take one accurate reading before needing to apply a new sensor. Another design, known as a potentiometric sweat sensor, operates by measuring the potential energy difference between two electrodes. While these sensors offer continuous monitoring, they typically have a limited sensitivity and rely on expensive ion-selective membranes to function.
According to Zhang, the research team’s new sensor uses multiple types of hydrogel — a water-rich, gel-like material made of networks of connected molecules called polymers — to address these issues simultaneously.
The team’s sensor contains a sweat chamber, a cation-selective hydrogel (CH) with mobile cations and a high salinity hydrogel (HH) with high salt content like sweat. When sweat enters the chamber, the difference in salt concentration between the sweat and the HH causes the mobile cations in the CH to move from the HH side to the sweat chamber side, generating open-circuit voltage (OCV) between the two points. By tracking this voltage — which indicates how many chloride ions are present in the sweat sample — they can track the levels of chloride ions.
“In other sensor designs, it is extremely difficult or impossible to effectively track small fluctuations in the chloride ion levels,” said Huanyu "Larry" Cheng, the James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics and corresponding author on the paper. “By incorporating two different types of hydrogel into the design of our sensor, we can measure the change in OCV across the sensor in real time, meaning we can follow the fluctuation of chloride ion levels in our subject’s sweat.”
However, using just these hydrogel solutions posed some issues, Zhang explained. Hydrogel material is a network of hydrophilic polymers, or materials highly attracted to water, meaning that water and electrolytes could easily pierce into the gels. The team used a material, known as PVDF-HFP film, to isolate their hydrogels from excess water or electrolytes that could negatively impact the sensor’s accuracy.
“This was the primary challenge we faced during development — when we were using just the two types of the hydrogel, water would cause the gel to swell, degrading performance,” Zhang said. “By using the PVDF-HFP film like a barrier between the hydrogel, we were able to protect the hydrogel from excess water, so it could effectively stabilize and facilitate OCV.”
To test the sensor, the team conducted two different experiments. They first collected sweat from a subject exercising and analyzed it using the sensor separately from the subject’s body. They then monitored the sweat as the subject wore the sensor while exercising, tracking chloride ion levels in a software that graphs information in real time. The readings of both experiments were then compared to confirm the accuracy of the sensor’s readings.
The sensor collects data very quickly, measuring and visualizing chloride ion levels in under 10 seconds. According to Zhang, the sensor is significantly more sensitive than existing sensors, producing readings with an accuracy of 174 millivolts per decade – nearly triple the theoretical limit of 59.2 millivolts per decade seen in potentiometric sensors. In addition to excellent reversibility, Zhang explained how the sensor’s high consistency and independence from past readings ensures easy, accurate readouts without having to make connections between multiple past readings, improving reusability.
While their sensor was primarily designed to help identify chloride ion levels indicative of cystic fibrosis, Cheng said he believes the design is a strong foundation for future wearable devices that could sense other biomarkers.
“This sensor has opened the door for low-cost, scalable and wearable chloride sensors,” Cheng said. “We believe that the mechanics used in our design can be adapted to reversibly monitor other ions or chemical compounds that appear in sweat, like glucose, which would provide additional insight on a subject's health. The mechanics could also be expanded to different applications and platforms beyond just wearable devices, which we are exploring now.”
Da:
https://www.technologynetworks.com/diagnostics/news/detecting-chloride-levels-in-sweat-helps-diagnose-cystic-fibrosis-403767
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