Cukrzyca należy do największych globalnych wyzwań zdrowotnych XXI wieku. Według WHO aż 37 milionów dorosłych w USA żyje z chorobą, a 1/5 z nich w ogóle nie zdaje sobie z tego sprawy. Tradycyjna diagnostyka wymaga wizyty w gabinecie lekarskim, pobrania krwi i oczekiwania na wynik – co w wielu regionach, zwłaszcza o ograniczonym dostępie do opieki medycznej, stanowi barierę nie do pokonania.
Czytaj też: Cukrzyca to wyzwanie systemowe. Eksperci apelują o zmiany, które nadążą za technologią
W tym kontekście pomysł, by zastąpić badania krwi analizą oddechu, wydaje się rewolucyjny. Zespół pod kierunkiem prof. Huanyu „Larry’ego” Chenga z Penn State udowodnił, że to możliwe – a przy tym szybkie, tanie i nieinwazyjne.
Nadchodzi rewolucja w wykrywaniu cukrzycy
Wybór padł na aceton – związek organiczny, który naturalnie powstaje w organizmie podczas spalania tłuszczów i jest obecny w wydychanym powietrzu. U zdrowych osób jego stężenie jest niskie, natomiast u pacjentów z cukrzycą lub stanem przedcukrzycowym przekracza próg około 1,8 części na milion (ppm).
Czytaj też: Nie każda cukrzyca jest taka sama. Nowe badania zmieniają spojrzenie na ryzyko chorób serca
Prof. Huanyu „Larry” Cheng z Penn State mówi:
Podczas gdy istnieją już sensory potrafiące mierzyć glukozę w pocie, wymagają one wcześniejszej stymulacji gruczołów – ćwiczeń, sauny czy środków chemicznych. To nie zawsze jest praktyczne ani wygodne. Nasz sensor potrzebuje jedynie jednego wydechu do woreczka i kilku minut, aby pokazać wynik.
Kluczowe jest to, że analiza acetonu może być wykonana na miejscu, bez konieczności wysyłania próbek do laboratorium. To oznacza przełom dla diagnostyki przesiewowej, zwłaszcza w miejscach, gdzie dostęp do nowoczesnej medycyny jest ograniczony.
Nowatorski charakter urządzenia nie ogranicza się do wyboru biomarkera. Zespół z Penn State wykorzystał wyjątkowy materiał – laserowo indukowany grafen (LIG). Powstaje on poprzez „opalenie” folii polimidowej laserem CO2, co wytwarza niezwykle porowatą strukturę węglową. Cheng porównuje ten proces do przypiekania chleba – jeśli potrwa zbyt długo, kromka zamienia się w zwęgloną, kruchą substancję. Odpowiednio „wypieczony” polimid daje grafen o kilku warstwach, z licznymi defektami powierzchniowymi, idealnymi do wychwytywania cząsteczek gazów.
Porowata natura LIG zwiększa szansę na zatrzymanie acetonu, ale pojawił się problem – materiał nie rozróżniał skutecznie poszczególnych gazów. Aby to naprawić, badacze połączyli grafen z tlenkiem cynku. Na styku obu materiałów powstało złącze, które umożliwiło precyzyjne i selektywne wykrywanie acetonu.
Oddychanie to proces, w którym poza dwutlenkiem węgla i cząsteczkami biomarkerów wydzielana jest także znaczna ilość pary wodnej. To właśnie ona stanowiła największe wyzwanie dla badaczy, ponieważ cząsteczki wody łatwo wiązały się z powierzchnią sensora, konkurując z cząsteczkami acetonu i w praktyce „rozmywając” lub osłabiając jego sygnał. W rezultacie odczyty mogły być zafałszowane, szczególnie przy próbie pomiaru bardzo niskich stężeń tego biomarkera. Aby rozwiązać ten problem, zespół Chenga zastosował dodatkową warstwę ochronną – selektywną membranę pełniącą rolę bariery wilgoci. Jej struktura została zaprojektowana w taki sposób, by zatrzymywać polarne cząsteczki wody, jednocześnie umożliwiając swobodne przenikanie mniejszych i mniej polarnych cząsteczek acetonu. Dzięki temu sensor zyskał zdolność precyzyjnego wykrywania acetonu nawet w środowisku o wysokiej wilgotności, typowym dla ludzkiego oddechu.
Obecnie metoda wymaga, by pacjent oddychał do plastikowego woreczka, a sensor był zanurzany w jego wnętrzu. Jest to rozwiązanie skuteczne, ale mało poręczne. Następnym krokiem ma być miniaturyzacja i opracowanie wersji, którą można nosić na co dzień, np. w postaci urządzenia pod nosem lub wbudowanego w maskę ochronną. W takiej formie sensor mógłby nie tylko diagnozować cukrzycę, lecz także monitorować zmiany metaboliczne w czasie rzeczywistym.
Prof. Huanyu „Larry” Cheng z Penn State dodaje:
Jeśli nauczymy się obserwować, jak poziom acetonu w oddechu zmienia się w zależności od diety i aktywności fizycznej – podobnie jak dziś mierzymy poziom glukozy we krwi – otworzymy nowe możliwości w profilaktyce i zarządzaniu zdrowiem.
Praca, której wyniki opublikowano w Chemical Engineering Journal, została sfinansowana przez amerykańskie instytucje federalne – National Institutes of Health (NIH) oraz National Science Foundation (NSF). Fakt, że badania znalazły wsparcie w dwóch największych agencjach naukowych USA, podkreśla ich wagę. Wskazuje także na potencjał translacyjny projektu – od eksperymentu akademickiego do realnego wdrożenia w praktyce klinicznej i codziennym życiu pacjentów.
Jeśli technologia doczeka się komercjalizacji, może odmienić sposób, w jaki diagnozujemy i monitorujemy cukrzycę. W wielu krajach o niskich dochodach koszt i dostępność testów krwi stanowią barierę dla wczesnego wykrywania choroby. Prosty, tani i mobilny sensor oddechowy mógłby być stosowany w programach przesiewowych na masową skalę. Dodatkowo rynek urządzeń medtech coraz chętniej sięga po rozwiązania nieinwazyjne – od smartwatchy monitorujących tętno i saturację po biosensory śledzące sen i aktywność fizyczną. Sensor oddechowy wpisuje się w ten trend, a jego potencjał komercyjny jest ogromny – zarówno w diagnostyce klinicznej, jak i w urządzeniach konsumenckich.
