Wetenschappers van Rutgers University-New Brunswick hebben een op grafeen gebaseerde sensor gemaakt die kan leiden tot eerdere detectie van dreigende astma-aanvallen en de behandeling van astma en andere aandoeningen van de luchtwegen kan verbeteren. ziekenhuisopnames en sterfgevallen te voorkomen.

De sensor maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van apparaten - mogelijk lijkend op fitnesstrackers zoals de Fitbit - die mensen zouden kunnen dragen en dan weten wanneer en in welke dosering ze hun medicatie moeten innemen.

"Onze visie is om een ​​apparaat te ontwikkelen dat iemand met astma of een andere luchtwegaandoening om hun nek of om hun pols kan dragen en er periodiek in kan blazen om het begin van een astma-aanval of andere problemen te voorspellen, " zei Mehdi Javanmard, een assistent-professor bij de afdeling Electrical and Computer Engineering. "Het bevordert het gebied van gepersonaliseerde en precisiegeneeskunde."

Javanmard en een divers team van Rutgers-New Brunswick-experts beschrijven hun uitvinding in een studie die vandaag online is gepubliceerd in het tijdschrift Microsystemen en nano-engineering .

Astma, die ontsteking van de luchtwegen veroorzaakt en de luchtstroom belemmert, treft wereldwijd ongeveer 300 miljoen mensen. Bij ongeveer 17,7 miljoen volwassenen en 6,3 miljoen kinderen in de Verenigde Staten werd in 2014 de diagnose astma gesteld. Symptomen zijn onder meer hoesten, piepende ademhaling, kortademigheid, en beklemming op de borst. Andere ernstige longaandoeningen zijn onder meer chronische obstructieve longziekte (COPD), die emfyseem en chronische bronchitis omvat.

De huidige niet-invasieve methoden voor het diagnosticeren en monitoren van astma zijn beperkt in het karakteriseren van de aard en mate van luchtwegontsteking, en vereisen dure, omvangrijke apparatuur die patiënten niet gemakkelijk bij zich kunnen houden. De methoden omvatten spirometrie, die de ademhalingscapaciteit meet, en testen op uitgeademd stikstofmonoxide, een indicator van luchtwegontsteking. Er is dringend behoefte aan verbeterde, minimaal invasieve methoden voor de moleculaire diagnose en monitoring van astma, zegt de studie.

Het meten van biomarkers in condensaat van de uitgeademde lucht - minuscule vloeistofdruppeltjes die vrijkomen tijdens het ademen - kan bijdragen aan het begrip van astma op moleculair niveau en leiden tot gerichte behandeling en beter ziektebeheer.

De geminiaturiseerde elektrochemische sensor van de Rutgers-onderzoekers meet nauwkeurig nitriet in condensaat van de uitgeademde lucht met behulp van gereduceerd grafeenoxide. Gereduceerd grafeenoxide is bestand tegen corrosie, heeft superieure elektrische eigenschappen en is zeer nauwkeurig in het detecteren van biomarkers. Grafeen is een dunne laag van het grafiet dat in potloden wordt gebruikt.

"Nitrietgehalte in ademcondensaat is een veelbelovende biomarker voor ontstekingen in de luchtwegen. Het hebben van een snelle, eenvoudige methode om het te meten kan een astmapatiënt helpen bepalen of luchtverontreinigende stoffen hen beïnvloeden, zodat ze het gebruik van medicatie en fysieke activiteit beter kunnen beheren, " zei Clifford Weisel, studie co-auteur en professor aan het Rutgers' Environmental and Occupational Health Sciences Institute (EOHSI). "Het kan ook worden gebruikt in het kantoor van een arts en spoedeisende hulp om de effectiviteit van verschillende ontstekingsremmende medicijnen te controleren om de behandeling te optimaliseren."

"Verhoogde luchtwegontsteking kan een vroeg waarschuwingssignaal zijn van een verhoogd risico op een astma-aanval of verergering van COPD, waardoor eerdere en effectievere preventieve maatregelen of behandeling mogelijk zijn, " zei Robert Laumbach, studie co-auteur en een arts voor arbeids- en milieugeneeskunde bij EOHSI.

"Gewoon kijken naar hoesten, piepende ademhaling en andere uiterlijke symptomen, de nauwkeurigheid van de diagnose is vaak slecht, dus daarom kan dit idee van continu monitoren van biomarkers resulteren in een paradigmaverschuiving, zei Javanmard, die werkt in de School of Engineering. "De mogelijkheid om labelvrije kwantificering van het nitrietgehalte in uitgeademde luchtcondensaat in een enkele stap uit te voeren zonder enige voorbehandeling van het monster, lost een belangrijk knelpunt op voor het mogelijk maken van draagbaar astmabeheer."

De volgende stap is het ontwikkelen van een draagbare, draagbaar systeem, die binnen vijf jaar in de handel verkrijgbaar zouden kunnen zijn, hij zei. De onderzoekers voorzien ook een uitbreiding van het aantal ontstekingsbiomarkers dat een apparaat zou kunnen detecteren en meten.

"Alleen al in de VS, allergische ontsteking, astma en verschillende aandoeningen van de luchtwegen nemen allemaal toe, dus apparaten die kunnen helpen bij het diagnosticeren, monitoren en beheren van deze omstandigheden zal veel gevraagd zijn, ' zei Javanmard.