سنسورهای عرق

 

 

آیا سنسورهای عرق می‌توانند بیماری‌ها را شناسایی کنند؟

احتمالاً به‌زودی این امر با یک پچ تعریق ساده ممکن شود

حسن اسدی

کارشناس آزمایشگاه

 

بیماری‌ها، عفونت‌ها و مواد شیمیایی خطرناک، فیزیولوژی بدن انسان را تغییر می‌دهند و باعث دگرگونی ترکیب مایعات خارج و داخل سلولی می‌شوند. به علت مشکل بودن اندازه‌گیری مایعات داخل و خارج سلولی، عموماً خون برای تشخیص شرایط پاتولوژيک آنالیز می‌شود. از آنجا که خون برای سلول‌ها اکسیژن و مواد غذایی فراهم کرده و مواد دفعی را نیز منتقل می‌کند، این فرضیه که ترکیبات خونی، محیط سلولی را به بهترین شکل نشان می‌دهند، معقول است؛ به‌هرحال خون‌گیری نیاز به فرایندهای تهاجمی (مانند فلبوتومی یا خراش انگشت) دارد و برای اکثر افراد خوشایند نیست و حتی در برخی از موارد، افراد را از رسیدگی‌های پزشکی و انجام تست‌های خونی منصرف می‌کند.

اگر ترکیب یک مایع زیستی دیگر که ‌بتواند با تکنولوژی‌های نمونه‌برداری غیرتهاجمی و شناساگرهای قابل حمل به‌آسانی مورد سنجش قرار گیرد و به اثبات برسد که می‌تواند محیط سلولی را به‌دقت نشان بدهد، در این صورت تست‌های تشخیصی دیگری شکل می‌گیرند و روش‌های تست سلامت آسان‌تر، ارزان‌تر و برای همه خوشایند خواهد شد.

عرق یک مایع زیستی است که می‌تواند به‌صورت غیرتهاجمی جمع‌آوری شود و برخی از تحقیقات پیشنهاد می‌کنند که ترکیبات عرق می‌تواند شرایط پاتولوژیکی، مواجهه با مواد شیمیایی و بیوشیمیایی و استرس‌های روانی را نشان دهند. همچنین مقالاتی در رسانه‌های عامه‌پسند از این هم جلوتر رفته‌‌اند و ادعا کرده‌اند که «عرق به‌مثابه خون جدید است» و آنالیز عرق به‌زودی جایگزین تست‌های خونی می‌شود. در حقیقت در حرفه پزشکی فقط در چند مورد خاص (برای مثال تشخیص سیستیک فیبروزیس، هایپرهیدروز، هماتوهیدروز و برای بهینه‌سازی دریافت آب و الکترولیت در ورزشکاران) از آنالیز عرق استفاده می‌شود و هنوز غلظت‌های نرمال و پاتولوژیک بیومارکر‌ها در عرق مشخص نشده است.

همچنین اطلاعات شیمیایی فراوان موجود در عرق برای چندین دهه دست‌کم گرفته شده است و روی آن مطالعات کافی برای اهداف تشخیص کلینیکی انجام نشده است. جمع‌آوری و آنالیز عرق با روش‌های متداول، گران‌قیمت و پرزحمت است و نیاز به امکانات تخصصی دارد که همین موضوع عرق را به مایع زیستی نامناسبی برای آنالیز تبدیل می‌کند. در چند سال اخیر سنجش عرق به دلایل زیر رشد یافته است:

الف) تعداد تحقیقاتی که عرق را مایعی غنی از بیومارکرها (مانند یون‌‌ها، پروتئین‌ها و متابولیت ها) شناخته است. ب) تکنولوژی‌های قابل حمل برای جمع‌آوری و آنالیز لحظه‌ای (real-time) عرق و

پ) سرمایه‌گذاری کمپانی‌ها و آژانس‌های علاقه‌مند به تکنولوژی سنجش عرق

Rogers و همکارانش تکنولوژی قابل حمل، ارزان‌قیمت و بدون دستگاه و باتری اختراع کرده‌اند که شاید چشم‌انداز آینده آنالیز کلینیکی مایعات زیستی را توصیف کند. این تکنولوژی بر اساس استفاده از (پچ تعریق) دستگاه میکروفلوئیدی نرم، یکبار مصرف و ارزان‌قیمت است که مستقیماً به پوست می‌چسبد و با جذب و هدایت عرق در شبکه‌ای از میکروکانال‌‌ها به میکروچمبر‌های حاوی معرف‌های شیمیایی، می‌تواند چندین پارامتر عرق را آنالیز ‌کند. از آنجا که عرق در درون کانال‌‌های میکروفلوئیدیک با نیروی نفوذپذیری و فشار طبیعی همراه تعریق، جذب می‌شود، این تکنولوژی به برق (power) و شناساگرهای مخصوص نیاز ندارد و دوربین تلفن‌ همراه می‌تواند نتایج را با برنامه شناساگر کالریمتری (colorimetric) بخواند.

اولین پروتوتیپ این دستگاه که در سال ۲۰۱۶ معرفی شد، توانایی ردیابی میزان عرق، pH و غلظت گلوکز، لاکتات و یون کلرید را داشت. در طی ۳ سال، این تکنولوژی به‌طور قابل‌توجهی پیشرفت کرده است و همان گروه مذکور چندین مقاله برای توصیف دستگاه‌هایی با طراحی‌های مختلف با توانایی شناسایی الکترولیت‌ها، متابولیت‌ها و مواد معدنی منتشر کرده است.

یکی از آخرین پروتوتیپ‌های تکنولوژي Roger می‌تواند در زمان‌های متوالی از عرق نمونه‌برداری کرده تا میزان عرق، pH، غلظت یون کلرید با استفاده از واکنش کالریمتری و غلظت گلوکز و لاکتات را با اســــــــتفاده از (The biofuel cell-based electrochemical scheme) برنامه سوخت زیستی سلول محور الکتروشیمیایی تعیین کند. این روش الکتروشیمیایی، جریان الکتریکی متناسب با غلظت گلوکوز و لاکتات موجود در عرق تولید می‌کند و به نیروی برق یا آنالیزر الکتروشیمیایی نیاز ندارد، تنها به مداری کوچک که چند بار مصرف، بدون باتری و میدان نزدیک (Near-feild) است و روی سیستم میکروفلوئیدی یکبار مصرف نصب‌شده، نیاز دارد؛ مدار الکتریکی چند بار مصرف، جریان الکتریکی تولیدی توسط سوخت سلولی را به ولتاژ تبدیل می‌کند و به‌طور بی‌سیم مقادیر خروجی را به دستگاه خواننده (reader) خارجی منتقل می‌کند.

از آنجا که روی طراحی و مهندسی آن به‌خوبی فکر شده است، استفاده از این دستگاه بسیار آسان و بادوام است (مصرف‌کننده باید آن را بر روی پوستش بچسباند و بعد از تعریق از آن عکس بگیرد یا از دستگاه خواننده نتایج را ببیند). برای مثال:

الف) تمام کانال‌ها و میکروچمبر‌ها طوری به‌دقت طراحی شده‌اند که بدون نیاز به پمپ، عرق را جذب کرده و همه به کانال‌هایی که به بخش خارجی دستگاه محدود می‌شوند، متصلند تا مانع از فشار برگشتی شوند؛

ب) دریچه‌های فشاری که به شبکه کانال‌های میکروفلوئیدی ضمیمه شده و دریافت و آنالیز متوالی عرق را تسهیل می‌کند؛

پ) اتصالات سلول‌های زیست- سوخت محور ظاهری مارپیچ دارند که کشش‌های مکانیکی تولیدی در حین خم شدن دستگاه را، تطبیق می‌دهند و

ت) ورقه‌ی پرینت‌شده‌ی چارت رنگ‌های مرجع، به دستگاه ضمیمه شده تا امکان مقایسه دقیق محصولات رنگی را در عکس‌برداری با شرایط نوری مختلف بدهد.

نتایج اولیه عملکرد دستگاه در درک غلظت گلوکز و لاکتات برای چند روز امیدوارکننده بود، اما چند چالش تکنیکی و سؤال علمی بنیادی وجود دارد که سازنده دستگاه باید پاسخ دهد تا تجاری‌سازی سنسور عرق به‌عنوان دستگاه تشخیص بیماری ممکن شود. چالش تکنیکی شامل ساخت تعداد بالایی از دستگاه با هزینه کم و بهینه‌سازی دستگاه برای فراهم‌سازی نتایج دقیق و تجدیدپذیر برای استفاده طولانی مدت (برای مثال چند روز) است (ساخت بخش میکروفلوئیدی تا حدی بر اساس فوتولیتوگرافی photolithography است). سؤال بنیادی علمی این است که آیا غلظت بیومارکر‌ها در عرق ارزش تشخیصی دارند؟ این فرضیه که ترکیبات عرق، ترکیبات سلول را منعکس می‌کند و در نتیجه می‌تواند برای تشخیص بیماری‌ها استفاده شود، به علت اینکه عرق غنی از بیومارکر‌ها است، معقول است.

اساساً عرق در میلیون‌ها غده اِکراین در سرتاسر بدن انسان تولید می‌شوند؛ غدد عرق اِکراین ۳ بخش اصلی دارند: قطعه ترشحی پیچ‌خورده، مجرای درمی و مجرای پیچ‌خورده فوقانی (عکس 1B). بعد از تحریک کولینرژیک، سدیم و کلر (طی چند مرحله بیوشیمیایی) وارد لومن قطعه ترشحی می‌شود؛ همچنین آب از سلول‌های محیطی به لومن جریان دارد (تا فشار اسمزی ایجادشده بین لومن و سلول‌های محیطی را متعادل کند)؛ بدین ترتیب ترشح عرق آغاز می‌شود.

چند یون دیگر (مانند پتاسیم، منیزیم، کلسیم، بیکربنات، آمونیوم، مس)، اسید‌های آمینه (مانند آلانین،‌ آرژنین، گلایسین، هیستیدین)، متابولیت‌ها (مانند گلوکز، لاکتات، کراتینین، اوره)، دارو‌ها (مانند داروهای غیرقانونی) و دیگر ترکیبات کوچک (مانند کورتیزول، اتانول) نیز به همراه عرق ترشح می‌شوند، اگرچه آنها به‌طور فعالانه در تولید عرق دخیل نیستند؛ این یون‌ها و پروتئین‌ها و مولکول‌های کوچک از سلول‌های محیطی به داخل لومن و مجرای غدد عرق منتشر می‌شوند (عکس B1)؛ بنابراین پیشنهاد می‌شود که ترکیبات عرق می‌تواند تصویر اجمالی از ترکیبات شیمیایی سلول‌های محیطی در لحظه ترشح عرق، فراهم کند.

به چند دلیل ارتباط غلظت بیومارکر‌ها بین خون و عرق همواره مشهود نیست؛ نخست اینکه ترکیبات عرق تصویری اجمالی از ترکیبات شیمیایی سلول‌های اطراف غده اِکراین فراهم می‌کند، اما ترکیبات خون آگاهی کامل درباره ترکیبات مایعات یک تریلیون سلول (تعداد سلول‌های بدن انسان) در اندک زمانی قبل از نمونه‌برداری به ما می‌دهد؛ زمان خاصی که در آن غلظت بیومارکر‌ها در حد میانگین باشد، ناشناخته است و بسته به آن بیومارکر خاص، این دوره‌ی زمانی می‌تواند ساعت‌ها تا چند ماه باشد. دوم اینکه میزان عرق بر غلظت بیومارکرها اثر می‌گذارد.

سوم اینکه نمونه‌گیری و آنالیز می‌تواند به میزان زیادی روی دقت تست مؤثر باشد؛ برای مثال مشکل عمومی روش رایج آنالیز عرق شامل تبخیر،‌ آلودگی و تجزیه  عرق در طی فرایند چند مرحله‌ای جمع‌آوری، ذخیره و جابجایی آن است که روی دقت نتایج اثر می‌گذارد. ممکن است در مطالعات بعدی روش‌های کالیبراسیون پیشرفته و یا مدل‌هایی که مقادیر غلظت بیومارکر‌ها را با توجه به فاکتور‌های مؤثر بر نتایج (مانند pH و میزان تعریق) ‌اصلاح می‌کند ایجاد شود و همبستگی قوی‌تری بین غلظت بیومارکر‌های عرق و خون کشف شود.

سنسور‌های عرقی که Roger و همکارانش ساختند می‌توانند چند کاربرد‌ عملی در تشخیص بیماری‌ها (مانند دیابت و اختلالات کلیوی)، عملکرد بدن و دارو‌های ورزشی داشته باشند. استفاده‌ی آسان از این سنسور‌‌ها، آنها را برای کاربرد در خانه و یا به‌عنوان ابزار تشخیصی برای حمایت از سیستم سلامت مناسب می‌کند. آنها همچنین می‌توانند ابزارهای ارزشمندی در تسهیل تحقیقات پایه (مانند فارماکوکینتیک و یا مطالعه رهاسازی بیومارکر‌ها در طی تعریق) و یا آزمایش‌های گسترده کلینیکی که ممکن است باعث بروز غلظت‌های پاتوژنیک و فیزیولوژیک از بیومارکر‌ها در عرق شوند، باشند. آینده سنسورهای عرق روشن است و به‌نظر می‌رسد در آینده‌ای نه‌چندان دور، تنها مقدار کمی عرق برای بررسی سلامت کافی باشد.

عکس ۱: تصویر پچ تعریق و یک غده عرق اِکراین

(A) تصویری از یک پچ تعریق که می‌تواند میزان عرق، pH، غلظت یون کلر و گلوکز و لاکتات را اندازه‌گیری کند.

مناطق زرد رنگ، بخشی از پچ را که سلول‌های زیست- سوختی (biofuel cells) غلظت گلوکز و لاکتات را اندازه می‌گیرند، نشان‌ می‌دهند.

فلش آبی کانال‌های میکروفلوئیدی را که در آن حجم عرق را بر اساس طول بخش‌های رنگی‌شده اندازه‌ می‌گیرد، نشان‌ می‌دهد.

فلش بنفش میکروچمبرهایی که غلظت یون کلرید را در طی فازهای مختلف تعریق اندازه می‌گیرد، نشان می‌دهد.

فلش سبز شش میکروچمبری که غلظت یون کلرید را در طی فازهای مختلف تعریق اندازه می‌گیرد، نشان می‌دهد.

 

منبع:

Can Sweat Sensors Detect Common Diseases?

A Simple Sweat Patch May Soon Achieve It

Clinical Chemistry 65:9

000–000 (2019)

سندرم تعریق ناشی از سرما

https://theconversation.com/how-sweat-sensors-could-play-a-critical-role-in-monitoring-our-health-174770

https://medlabnews.ir/%da%a9%d9%84%d8%b1%db%8c%d8%af-%d8%b9%d8%b1%d9%82/

برای دانلود فایل pdf  بر روی لینک زیر کلیک کنید