Новая технология позволяет измерять уровень натрия в крови без игл

Исследователи разработали оптоакустическую (OA) терагерцовую спектроскопическую систему для долгосрочного неинвазивного мониторинга уровня натрия в крови. Метод успешно снижает помехи от воды, которая сильно поглощает терагерцовое излучение. Автор: Чжэнь Тянь, Тяньцзиньский университет

В новом исследовании ученые продемонстрировали долгосрочный неинвазивный мониторинг уровня натрия в крови с помощью системы, сочетающей оптоакустическое детектирование с терагерцовой спектроскопией. Точное измерение натрия в крови критически важно для диагностики и лечения таких состояний, как обезвоживание, болезни почек, а также некоторых неврологических и эндокринных нарушений.

Терагерцовое излучение, находящееся между микроволнами и средней инфракрасной областью электромагнитного спектра, идеально подходит для биомедицинских применений, поскольку обладает низкой энергией, безвредно для тканей, меньше рассеивается по сравнению с ближним инфракрасным и видимым светом, а также чувствительно к структурным и функциональным изменениям в биологических системах.

«Для биомедицинских применений терагерцовая спектроскопия по-прежнему сталкивается с двумя ключевыми проблемами: обнаружение молекул, отличных от воды, в сложных биологических образцах и проникновение через толстые слои тканей для детектирования внутри организма», — пояснил руководитель исследовательской группы Чжэнь Тянь из Тяньцзиньского университета (Китай). «Добавив оптоакустическое детектирование, мы смогли преодолеть эти ограничения и впервые продемонстрировали детектирование ионов in vivo с помощью терагерцовых волн. Это важный шаг на пути к клиническому применению терагерцовых технологий».

В журнале Optica, ведущем издании Optica Publishing Group для высокоэффективных исследований, ученые описали свою новую мультиспектральную терагерцовую оптоакустическую систему и показали, что она может использоваться для неинвазивного долгосрочного мониторинга концентрации натрия у живых мышей без необходимости использования маркеров. Предварительные тесты с участием добровольцев также дали многообещающие результаты.

«При дальнейшей разработке эта технология сможет использоваться для мониторинга уровня натрия у пациентов без забора крови», — отметил Тянь. «Измерения в реальном времени позволят безопасно корректировать дисбаланс у критических пациентов, избегая опасных неврологических осложнений, которые могут возникнуть при резких изменениях уровня натрия».

Использование звука для подавления шума

Новая работа является частью более масштабного проекта по внедрению терагерцовых технологий в биомедицину с использованием оптоакустических методов. Одна из ключевых целей проекта — снижение помех от воды, которая сильно поглощает терагерцовое излучение.

Для преодоления этой проблемы исследователи разработали модульную систему, которая облучает образец терагерцовыми волнами. При поглощении этих волн образцом происходит вибрация ионов натрия, связанных с молекулами воды в крови, что создает ультразвуковые волны, регистрируемые ультразвуковым датчиком. Этот метод, известный как оптоакустическое детектирование, преобразует поглощенную терагерцовую энергию в звуковые волны для измерения.

«Терагерцовая оптоакустическая технология представляет собой революционный прорыв для биомедицинских применений, эффективно преодолевая барьер водопоглощения, который исторически ограничивал эти применения», — подчеркнул Тянь. «Значение этой работы выходит далеко за рамки детектирования натрия в крови. Технология способна идентифицировать различные биомолекулы — включая сахара, белки и ферменты — по их уникальным терагерцовым спектрам поглощения».

Мониторинг натрия без игл

Для тестирования системы исследователи показали, что она может измерять повышение уровня натрия в кровеносных сосудах под кожей живых мышей с миллисекундным временным разрешением в течение более 30 минут. Измерения проводились в области уха, где поверхность кожи охлаждалась до 8 °C для подавления фонового оптоакустического сигнала от воды.

Ученые также продемонстрировали, что система может быстро различать высокий и низкий уровни натрия в образцах человеческой крови. Наконец, они неинвазивно измерили уровень ионов натрия в кровеносных сосудах рук здоровых добровольцев. Оказалось, что оптоакустический сигнал от натрия пропорционален объему кровотока под поверхностью кожи, даже без охлаждения. Хотя требуется дополнительная работа, результаты указывают на потенциал системы для неинвазивного мониторинга в реальном времени.

Исследователи отмечают, что адаптация системы для людей потребует поиска подходящих участков тела — например, внутренней поверхности рта — где можно применять быстрое охлаждение и добиваться сильного сигнала при минимальном фоновом шуме от воды. Также изучаются альтернативные методы обработки сигналов, которые могут позволить подавлять водные помехи без охлаждения, что сделает подход более практичным для клинической диагностики.

Источники: sciencedaily.com, Optica