211service.com
Battlefield Medic op een chip
De meerderheid van de sterfgevallen op het slagveld vindt plaats binnen een half uur na verwonding - vaak te snel voor een soldaat om naar een hospik te gaan, laat staan naar een ziekenhuis. Maar een samenwerking tussen onderzoekers van de University of California, San Diego (UCSD) en Clarkson University in New York, wil dat allemaal veranderen met een chip die verwondingen kan detecteren en vrijwel onmiddellijk kan behandelen.
Slimme sensor: Joseph Wang hoopt flexibele elektroden te gebruiken, zoals degene die hij hier vasthoudt, om een chip te maken die verwondingen op het slagveld diagnosticeert.
Centraal in het onderzoek staat een sensor, nog in ontwikkeling, die kan worden gebruikt om het bloed, zweet of zelfs tranen van een soldaat continu te controleren op biomarkers. Al deze vloeistoffen bevatten glucose, zuurstof, lactase en het hormoon noradrenaline, die fluctueren afhankelijk van iemands gezondheids- en activiteitenniveau. Specifieke, collectieve veranderingen in deze markers kunnen wijzen op de aanwezigheid van een blessure. En zodra de sensor dat oppikt, kan hij de informatie elders op de chip of naar een andere chip verzenden en de afgifte van een geschikt medicijn activeren. Dat is tenminste het idee; de realiteit kan echter even duren om zich te ontwikkelen.
De projectleider, Joseph Wang , is een professor nano-engineering aan de UCSD wiens kantoor vol zit met elektronische sensoren in elke vorm, maar slechts twee maten: klein en zelfs kleiner. Wang, die eerder hielp bij het ontwikkelen van een niet-invasieve glucosemeter die zweetmonsters neemt, is geen onbekende in continue detectie. Maar in plaats van slechts één signaal op te pikken, moet de nieuwe sensor onderscheid maken tussen meerdere markeringen en de resultaten interpreteren.
Om dit te doen, werkt Wang samen met Clarkson's Evgeny Katz , die onlangs een systeem creëerde dat een op enzymen gebaseerde logische poort gebruikt om niet alleen een combinatie van biomarkers te meten, maar de resultaten ook te gebruiken om een beperkte diagnose te stellen. Het systeem van Katz is gebaseerd op enzymgestuurde reacties: in de aanwezigheid van bepaalde enzymatische producten wordt één set poorten ontgrendeld en veroorzaakt dit een specifieke kettingreactie; andere producten triggeren een heel andere set poorten. Het eindresultaat is een logische keten die het potentieel heeft om bepaalde medische aandoeningen te identificeren.
Tot nu toe werkt Katz's enzymlogica-diagnostiek alleen in oplossing. Maar Wang en Katz stellen zich een systeem voor dat een elektronische sensor zou gebruiken, een sensor die enzymen bevat, om de aan- of afwezigheid van de vier bovengenoemde biomarkers te detecteren: glucose, zuurstof, lactase en noradrenaline. In verschillende combinaties kunnen deze biomarkers verschillende verwondingen aangeven, zoals hersentrauma of shock. Afhankelijk van de verwonding zouden de elektroden de enzymatische resultaten vertalen in een code die signaalafhankelijke membranen activeert om de juiste medicatie af te geven. Als een soldaat bijvoorbeeld in een hemorragische shock zou raken, zou de elektrode stijgende niveaus van lactaat, glucose en noradrenaline detecteren. Naarmate het productmengsel van de elektrode-enzymen begint te veranderen, zou de reactie de logische poort activeren die uniek is voor schokken en mogelijk een signaal voor de afgifte van de juiste medicatie. We willen een slimme, intelligente sensor bouwen die onderscheid kan maken tussen verschillende verwondingen, de beslissing kan nemen om te behandelen en, zodra hij de verwonding herkent, op de juiste manier kan behandelen, zegt Wang.
Als dit allemaal een beetje theoretisch klinkt, is dat omdat het zo is. Katz en Wang verwachten dat het vier jaar zal duren voordat hun nieuw gefinancierde project is voltooid. In dit stadium kan Katz niet eens met zekerheid zeggen welke verwondingen hun systeem zou kunnen herkennen, of hoe het ze precies zou kunnen behandelen. Op dit moment, zegt hij, ontwerpen ze gewoon een logische poort die onderscheid kan maken tussen verschillende verwondingen: hoe de combinaties van biomarkers eruit zien en de enzymatische code om ze te interpreteren. Vervolgens zullen ze beslissen welke lichaamsvloeistoffen het beste werken, en van daaruit kunnen ze beginnen met het ontwerpen van hun elektrode.
Van de honderden sensoren in het kantoor van Wang wijst hij er een paar aan die volgens hem bruikbare modellen kunnen zijn. Eén, bedoeld om opgerold te worden tot een strakke cilinder, is zo klein dat hij in een traanbuis zou kunnen passen. Een andere, grotere zou een kleine onderhuidse sensor kunnen hebben die net onder de huid zit. We willen iets dat minimaal invasief is, of liever niet-invasief, dat tranen, speeksel of zweet kan bemonsteren, zegt hij.
De onderzoekers hebben een grote taak voor de boeg. Ik denk dat het een belangrijke uitdaging is om uit de dingen die ze kunnen voelen te ontdekken hoe betrouwbaar [ze] zullen zijn in een situatie op het slagveld, zegt Martin Bazan , een professor in werktuigbouwkunde aan de Stanford University. Kun je waarde toevoegen aan de soldaat zonder gewicht toe te voegen of risico op storing?
Bazant is bekend met de moeilijkheden bij het ontwerpen voor soldaten in gevechten - hij was een van de stichtende leden van MIT's Instituut voor Nanotechnologie van Soldaten – en hij merkt op dat de ontwikkeling van de sensor zelf een enorme zegen zou zijn. De mogelijkheid hebben om nauwkeurige niveaus van die chemicaliën in realtime op het slagveld te detecteren, betrouwbaar - dat is al interessant, zegt hij. Een medic kan het aflezen en gebruiken om te bepalen hoe kritisch een patiënt is, of behandeling nodig is, of een patiënt naar een andere locatie moet worden verplaatst. Bazant staat echter sceptisch tegenover het gebruik van een volledig geautomatiseerd systeem voor letseldetectie en medicijndosering in afwezigheid van een medicus.
Als Wang en Katz slagen, zal hun project niet alleen in oorlogstijd worden toegepast, maar ook in de dagelijkse geneeskunde. Artsen hebben altijd sensoren nodig die een nauwkeuriger beeld geven van wat er in het lichaam van een patiënt gebeurt. Het kan worden aangepast om hartmarkers te detecteren, bijvoorbeeld om snel een hartaanval of beroerte te diagnosticeren. Dit kan handig zijn wanneer we iets dringends hebben dat snel moet worden ingegrepen, zegt Wang.