211service.com
Battlefield Medic on a Chip
Majoriteten av dödsfallen på slagfältet inträffar inom en halvtimme efter skadan – ofta för snabbt för att en soldat ska kunna ta sig till en läkare, än mindre ett sjukhus. Men ett samarbete mellan forskare vid University of California, San Diego (UCSD) och Clarkson University, i New York, syftar till att förändra allt detta med ett chip som kan upptäcka skador och behandla dem nästan omedelbart.
Smart sensor: Joseph Wang hoppas kunna använda flexibla elektroder, som den han håller här, för att skapa ett chip som diagnostiserar slagfältsskador.
I centrum för forskningen är en sensor, fortfarande under utveckling, som kan användas för att kontinuerligt övervaka en soldats blod, svett eller till och med tårar för biomarkörer. Alla dessa vätskor innehåller glukos, syre, laktas och hormonet noradrenalin, som varierar beroende på en persons hälsa och aktivitetsnivåer. Specifika, kollektiva förändringar i dessa markörer kan indikera närvaron av en skada. Och när sensorn väl tar upp det, kan den överföra informationen någon annanstans på chipet, eller till ett annat chip, och utlösa frisättning av en lämplig medicin. Det är åtminstone tanken; verkligheten kan dock ta lite tid att utvecklas.
Projektledaren, Joseph Wang , är en nanoteknikprofessor vid UCSD vars kontor är packat med elektroniska sensorer av alla former men bara två storlekar: små och ännu mindre. Wang, som tidigare hjälpt till att utveckla en icke-invasiv glukosmätare som tar prover på svett, är inte främmande för kontinuerlig avkänning. Men istället för att bara ta upp en signal måste den nya sensorn skilja på flera markörer och tolka resultaten.
För att göra detta samarbetar Wang med Clarkson's Evgeny Katz , som nyligen skapade ett system som använder en enzymbaserad logikport för att inte bara mäta en kombination av biomarkörer utan också använda resultaten för att ställa en begränsad diagnos. Katz’ system är baserat på enzymdrivna reaktioner: i närvaro av vissa enzymatiska produkter låses en uppsättning portar upp och utlöser en specifik kedjereaktion; andra produkter utlöser en helt annan uppsättning portar. Slutresultatet är en logisk kedja som har potential att identifiera vissa medicinska tillstånd.
Hittills fungerar Katzs enzymlogikdiagnostik endast i lösning. Men Wang och Katz föreställer sig ett system som skulle använda en elektronisk sensor, en som innehåller enzymer, för att upptäcka närvaron eller frånvaron av de fyra biomarkörerna som nämns ovan: glukos, syre, laktas och noradrenalin. I olika kombinationer kan dessa biomarkörer indikera olika skador, såsom hjärntrauma eller chock. Beroende på skadan skulle elektroderna översätta de enzymatiska resultaten till en kod som aktiverar signalberoende membran för att frigöra lämplig medicin. Om en soldat till exempel skulle få hemorragisk chock, skulle elektroden upptäcka stigande nivåer av laktat, glukos och noradrenalin. När elektrodenzymens produktblandning börjar förändras, skulle reaktionen utlösa den logiska porten som är unik för chock och eventuellt signalera för frisättning av lämplig medicin. Vi vill bygga en smart, intelligent sensor som kan skilja mellan olika skador, fatta beslut om att behandla och, när den väl känner igen skadan, behandla på lämpligt sätt, säger Wang.
Om allt detta låter lite teoretiskt så är det för att det är det. Katz och Wang förväntar sig att det kommer att dröja fyra år innan deras nyfinansierade projekt når slutförandet. I det här skedet kan Katz inte ens säga säkert vilka skador deras system kan känna igen, eller exakt hur det skulle kunna behandla dem. Just nu, säger han, designar de helt enkelt en logisk port som kan skilja mellan olika skador – hur biomarkörkombinationerna ser ut och den enzymatiska koden för att tolka dem. Därefter kommer de att bestämma vilka kroppsvätskor som skulle fungera bäst, och därifrån kan de börja sin elektroddesign.
Av de hundratals sensorerna på Wangs kontor pekar han på några som han tror kan vara användbara modeller. En, tänkt att rullas ihop till en tät cylinder, är så liten att den skulle kunna passa in i en tårkanal. En annan, större skulle kunna ha en liten subkutan sensor som sitter precis under huden. Vi vill ha något som skulle vara minimalt invasivt, eller, mer önskvärt, icke-invasivt, som kan prova tårar, saliv eller svett, säger han.
Forskarna har en stor uppgift framför sig. Jag tror att en viktig utmaning är att ta reda på de saker de kan känna, hur pålitliga [de] kommer att vara i en situation på slagfältet, säger Martin Bazant , professor i maskinteknik vid Stanford University. Kommer du att kunna tillföra värde till soldaten utan att lägga till vikt eller risk för funktionsfel?
Bazant är bekant med svårigheterna med att designa för soldater i strid – han var en av grundarna av MIT:s Institutet för soldatnanoteknik –och han noterar att utvecklingen av själva sensorn skulle vara en enorm välsignelse. Att ha förmågan att detektera exakta nivåer av dessa kemikalier i realtid på slagfältet på ett tillförlitligt sätt - det är redan intressant, säger han. En läkare kan läsa av det och använda det för att avgöra hur kritisk en patient är, om behandling är nödvändig, om en patient ska flyttas till en annan plats. Bazant är dock skeptisk till användningen av ett helautomatiskt system för skadeavkänning och läkemedelsdosering i frånvaro av en läkare.
Om Wang och Katz blir framgångsrika kommer deras projekt att ha tillämpningar inte bara under krigstid utan i vardagsmedicin. Läkare är alltid i behov av sensorer som ger en mer korrekt bild av vad som händer i en patients kropp. Den kan anpassas för att upptäcka hjärtmarkörer - till exempel för att snabbt diagnostisera en hjärtinfarkt eller stroke. Detta kan vara användbart när vi har något brådskande som behöver snabba åtgärder, säger Wang.