Уникальный миниатюрный зонд для одновременного мониторинга трёх ключевых биомаркеров

Специалисты из Техасского университета в Остине представили революционное решение для мониторинга здоровья — сверхтонкий оптоволоконный зонд, способный одновременно отслеживать три ключевых биомаркера: глюкозу, лактат и этанол. Устройство, диаметр которого составляет всего 1,1 мм, стало самым компактным в своём классе, открывая новые возможности для быстрого и малоинвазивного анализа состояния пациентов.

«Мониторинг таких биомаркеров, как глюкоза, лактат и этанол, в реальном времени критически важен для оценки метаболического здоровья и принятия решений в условиях интенсивной терапии», — отмечает Таня Хаттер, профессор инженерного факультета университета и ведущий автор исследования, опубликованного в Nature Communications. «Наш зонд предоставляет уникальную возможность измерять эти соединения одновременно, что позволяет получить более полную картину метаболического состояния пациента».

Глюкоза — ключевой показатель для контроля диабета, уровень лактата может сигнализировать о сепсисе или тканевой гипоксии, а мониторинг этанола необходим при алкогольной интоксикации, лечении зависимостей и повреждениях печени или мозга. Эти три молекулы также важны для оценки общего состояния здоровья, физической активности и метаболического стресса. Их концентрация позволяет судить об энергетическом обмене, физических нагрузках и уровне физиологического напряжения.

Традиционные методы измерения этих биомаркеров требуют использования отдельных устройств, что занимает время, сопряжено с инвазивными процедурами и высокими затратами. В отличие от микродиализа — распространённого метода для измерения малых молекул in vivo, который предполагает забор жидкости для последующего анализа, новый зонд проводит измерения непосредственно в ткани, предоставляя данные в реальном времени.

Например, при тяжёлых черепно-мозговых травмах в отделениях интенсивной терапии используется микродиализный зонд для мониторинга химических изменений в мозге. Однако этот метод требует значительных трудозатрат и даёт отсроченные результаты, так как образцы жидкости необходимо собирать, обрабатывать и анализировать в лаборатории. Задержка в получении данных ограничивает возможности врачей оперативно реагировать на изменения метаболизма, что подчёркивает необходимость технологий непрерывного мониторинга.

«В блоке интенсивной терапии каждая секунда на счету. Врачам необходима максимально оперативная информация», — подчёркивает Хаттер.

Как работает новый зонд

Устройство состоит из двух серебряно-галидных оптических волокон, заключённых в прочную трубку из полиэфирэфиркетона (PEEK), и полупроницаемой мембраны. Одно волокно имеет скошенный наконечник для передачи и сбора света, а другое покрыто золотом, выступая в роли зеркала. Мембрана предотвращает прямой контакт сенсорной области с тканью, повышая биосовместимость и снижая помехи от крупных молекул, таких как белки.

Зонд подключается к квантовому каскадному лазеру (QCL), который излучает среднеинфракрасный свет. При взаимодействии с молекулами ткани свет поглощается на определённых длинах волн, создавая уникальный спектральный отпечаток. Степень поглощения пропорциональна концентрации молекул, что позволяет точно определить их уровень. Важно, что зонд не вступает в реакцию с молекулами и не изменяет их — он лишь измеряет их реакцию на свет.

«В отличие от микродиализа, наше устройство не нарушает локальную тканевую среду», — добавляет Хаттер. Это делает его более безопасным и точным для длительного мониторинга, особенно в критических состояниях.

Перспективы применения

Новая технология может revolutionize подходы к диагностике и лечению в различных областях медицины. В кардиологии и эндокринологии она позволит более точно контролировать метаболические процессы. В спортивной медицине — оценивать физическую нагрузку и уровень усталости. В токсикологии — быстро выявлять случаи отравления этанолом. Кроме того, устройство может найти применение в персонализированном мониторинге здоровья, позволяя людям в режиме реального времени отслеживать ключевые показатели своего состояния.

Исследователи отмечают, что дальнейшее развитие технологии может расширить спектр отслеживаемых биомаркеров, сделав её ещё более универсальной и востребованной в клинической практике.