Персонализированные носимые устройства, которые отслеживают здоровье людей, набирают популярность. От часов до пластырей и других типов датчиков, эти умные устройства могут контролировать сердечную деятельность, уровень воспаления и многое другое, чтобы помочь пациентам лучше управлять своим здоровьем из собственных домов. Теперь к списку можно добавить новый тип носимых устройств: высокотехнологичную бумажную маску, которая отслеживает дыхание.

Профессор медицинской инженерии из Калифорнийского технологического института Вэй Гао и его коллеги разработали прототип умной маски, которую можно использовать для мониторинга ряда заболеваний, включая респираторные заболевания, такие как астма, ХОБЛ ( хроническая обструктивная болезнь легких ) и инфекции после COVID-19.

В отличие от других разрабатываемых умных масок, которые отслеживают физические изменения, такие как температура, влажность или частота дыхания, эта маска, называемая EBCare, может анализировать химические вещества в дыхании в режиме реального времени. («EBC» — это аббревиатура, используемая в этой области и означающая «конденсат выдыхаемого воздуха».) Например, маска может контролировать у пациентов с астмой уровень нитрита — химического вещества, указывающего на воспаление дыхательных путей.

«Мониторинг дыхания пациента — это то, что обычно делается, например, для оценки астмы и других респираторных заболеваний. Однако для этого пациенту необходимо посетить клинику для сдачи образцов, а затем ждать результатов лабораторных исследований », — говорит Гао, ведущий исследователь нового исследования, описывающего маску в журнале Science .

«После COVID-19 люди стали чаще носить маски. Мы можем использовать это возросшее использование масок для удаленного персонализированного мониторинга, чтобы получать обратную связь в режиме реального времени о нашем собственном здоровье дома или в офисе. Например, мы могли бы использовать эту информацию для оценки того, насколько хорошо работает медицинское лечение».

Гао, который также является исследователем Heritage Medical Research Institute и стипендиатом Рональда и Джоанны Вилленс, уже разработал ряд носимых биосенсоров, которые анализируют человеческий пот для измерения метаболитов, питательных веществ, гормонов и уровня белка. В этом случае целью Гао было следить за дыханием, что сопровождалось новым набором проблем.

Чтобы выборочно проанализировать химические вещества или молекулы в чьем-либо дыхании, его необходимо сначала охладить и сконденсировать в жидкость. В клинических условиях этот этап охлаждения выполняется отдельно от анализа. Образцы влажного дыхания охлаждаются в ведрах со льдом или громоздких холодильных камерах. Новая маска Гао, напротив, является самоохлаждающейся. Дыхание охлаждается пассивной системой охлаждения, которая объединяет испарительное охлаждение гидрогеля с радиационным охлаждением для эффективного охлаждения дыхания на лицевых масках.

«Маска представляет собой новую парадигму для лечения респираторных и метаболических заболеваний и точной медицины, поскольку мы можем легко получать образцы дыхания и анализировать химические молекулы в дыхании в режиме реального времени с помощью ежедневных масок», — говорит Вэньчжэн Хэн, ведущий автор исследования и аспирант Калтеха. «Конденсат дыхания содержит растворимые газы, а также нелетучие вещества в форме аэрозолей или капель, такие как метаболические вещества, воспалительные индикаторы и патогены».

После того как дыхание преобразуется в жидкость, ряд капилляров, относящихся к классу устройств, называемых биоинспирированной микрофлюидикой, немедленно транспортирует жидкость к датчикам для анализа.

«Мы научились у растений транспортировать воду», — говорит Гао. «Растения используют капиллярные силы, чтобы поднимать воду из земли».

Результаты анализа затем передаются по беспроводной связи на персональный телефон, планшет или компьютер. «Умную маску можно изготовить с относительно низкой стоимостью», — говорит Гао. «Она разработана так, чтобы ее стоимость на материалы составляла всего около 1 доллара».

Для тестирования масок команда провела ряд исследований на людях, в первую очередь сфокусированных на пациентах с астмой или ХОБЛ. Они специально отслеживали дыхание пациентов на предмет нитрита, биомаркера воспаления при обоих состояниях. Результаты показали, что маски точно определяли биомаркер, указывающий на воспаление в дыхательных путях пациентов.

В другом исследовании группа продемонстрировала, что маски точно определяют уровень алкоголя в крови у людей , что позволяет предположить, что маски можно использовать для проверки на предмет вождения в состоянии алкогольного опьянения на месте или для других форм мониторинга потребления алкоголя.

Они также рассмотрели, как маски могут потенциально использоваться для оценки уровня мочевины в крови при мониторинге и лечении заболеваний почек. По мере снижения функции почек в крови накапливаются побочные продукты метаболизма белков, такие как мочевина. В то же время в слюне повышается уровень мочевины, которая распадается на аммиачный газ, и это приводит к повышению уровня аммония в конденсате дыхания. Новое исследование показало, что умные маски могут точно определять эти уровни аммония, близко отражая уровень мочевины в крови.

«Эти первые исследования являются подтверждением концепции», — говорит Гао. «Мы хотим расширить эту технологию, включив в нее различные маркеры, связанные с различными состояниями здоровья. Это основа для создания маски, которая будет функционировать как универсальная платформа для мониторинга общего состояния здоровья».

Что касается удобства ношения масок, то участники сообщили о положительных впечатлениях, даже те, у кого были проблемы с дыханием.

«Платформа умной маски для сбора и анализа EBC представляет собой значительный шаг вперед в потенциале мониторинга здоровья легких в режиме реального времени», — говорит соавтор Гарри Росситер, исследователь Института биомедицинских инноваций им. Лундквиста в Harbor-UCLA и профессор медицины в Школе медицины Дэвида Геффена в UCLA. «Эта концепция, что в будущем могут быть добавлены биосенсоры для широкого спектра соединений, подчеркивает революционный потенциал умной маски для мониторинга и диагностики здоровья».