Устройство может располагаться под повязкой и отправлять сигналы об инфекции прямо на смартфон.
Здоровая кожа человека содержит бактерии, такие как Staphylococcus aureus и Escherichia coli, которые быстро заселяют открытую рану. Чтобы предотвратить распространение бактерий инфицированную рану необходимо очистить и обработать антибиотиками, но снятие повязки может замедлить процесс заживления. Кроме того, наблюдения субъективны и анализ раневого содержимого занимает время.
Для решения этих проблем некоторые исследовательские группы разрабатывают устройства, которые размещаются под повязками и постоянно отслеживают косвенные признаки инфекции, такие как изменение температуры или кислотности раны. А ученые из Национального университета Сингапура создали еще более совершенный датчик инфекции.
Сенсор может обнаружить фермент ДНКазу, который служит надежным индикатором инфекции, поскольку бактерии, вызывающие заболевания, вырабатывают этот фермент в больших количествах, а бактерии на здоровой коже - нет, поэтому проверка на его наличие снижает вероятность ложноположительного результата. Кроме того, ДНКаза накапливается до появления других признаков инфекции. Эта новая система оповещения, получившая название WINDOW (wireless infection detection on wounds), описана в статье, опубликованной в 19 ноября в журнале Science Advances.
Чувствительные к ферментам компоненты WINDOW изготовлены из клейкого материала под названием ДНК-гидрогель, или ДНК-гель. Исследователи разработали особый вид ДНКгеля, который остается стабильным в среде, содержащей влагу, например, в человеческом теле, но начинает разрушаться в присутствии ДНКазы. Они соединили материал с чипом, который определяет разрушение геля и посылает сигнал на смартфон. Этот сигнал передается с помощью беспроводной технологии без использования батарей, называемой коммуникацией ближнего поля (NFC), той же технологии, которая позволяет людям совершать платежи одним прикосновением к кредитной карте.
"Соединив ДНКгель с этим датчиком [чипом], мы можем сделать полностью безбатарейное устройство, которое можно поместить под повязку на ране", - говорит соавтор исследования Джон Хо, инженер-электрик из Национального университета Сингапура. Пациент с хронической раной или человек, отправленный домой после хирургической операции, может следить за своим состоянием, постукивая смартфоном по повязке пару раз в день. Если телефон получит сигнал об инфекции, он может отправить сообщение врачу или вернуться в больницу для лечения антибиотиками.
Другие исследователи пробовали различные подходы к обнаружению инфекции, включая высокотехнологичную визуализацию для мониторинга распространения бактерий и "электронные носы" для вынюхивания химических сигналов инфекции. "Существует множество способов, которые, в принципе, уже доказали свою эффективность", - говорит Джун Мерсер-Чалмерс из в Университете Бата в Англии, которая не участвовала в новом исследовании, но работала в группе, разработавшей недорогой экспресс-тест мазка на инфекции. По ее словам, вопрос сводится к практичности девайса: требует ли он большого количества громоздкого оборудования, есть ли у него серьезные барьеры для юридического согласования и насколько он экономически эффективен. Она отмечает, что датчик WINDOW требует электронных деталей и доступа к смартфону, что может сделать его недоступным для некоторых людей, но Хо говорит, что материальные затраты на каждый датчик WINDOW составляют менее 10 долларов, и отмечает, что его можно изготовить с помощью существующих методов производства электроники.
На данный момент сотрудники Хо подвергли ДНК-гель воздействию мазков из ран 18 человек с диабетическими язвами стопы, некоторые из которых были инфицированы S. aureus, чтобы увидеть, насколько сильно разрушается материал в присутствии бактерий. Исследователи также испытали устройство на шести живых лабораторных мышах, раны которых подверглись воздействию тех же видов бактерий, и оно успешно обнаружило инфекции в течение 24 часов, еще до появления каких-либо физических признаков. Поскольку датчик WINDOW находится на ранней стадии разработки, Хо планирует продолжить его тестирование на более крупных группах пациентов и на ранах, инфицированных другими видами бактерий.
"Гипотетически это должно работать и со многими другими типами штаммов, потому что они имеют схожие механизмы выделения ДНК", - говорит он.
Концепция WINDOW. (А) ДНКаза - фактор вирулентности при раневых инфекциях. Патогенные бактерии выделяют ДНКазу, чтобы обойти внеклеточные ловушки нейтрофилов (NETs), которые являются неотъемлемой частью иммунного ответа хозяина. (B) Схема механизма распознавания инфекции. ДНК-гель разрушается под воздействием ДНКазы, что приводит к изменению емкости датчика. (C) Схема беспроводного датчика раневой инфекции. WINDOW объединяет биореактивный ДНКгель, модуль биосенсинга LC с полуволновым выпрямлением и модуль NFC для считывания информации о состоянии раны с помощью смартфона. Встроенное изображение: Интегрированный в датчик ДНКгель, окрашенный родамином В. (D) Системная блок-схема, показывающая передачу сигнала от биосенсора на основе ДНКгеля к модулю NFC и смартфону для беспроводного считывания и отображения.
Рис.по Ze Xiong et al. A wireless and battery-free wound infection sensor based on DNA hydrogel.
