Forscher der Northwestern University haben das erste tragbare Gerät zur Messung von Gasen entwickelt, die von der Haut abgegeben und aufgenommen werden. Durch die Analyse dieser Gase bietet das Gerät eine völlig neue Möglichkeit zur Beurteilung der Hautgesundheit, einschließlich der Überwachung von Wunden, der Erkennung von Hautinfektionen, der Verfolgung des Feuchtigkeitsgehalts, der Quantifizierung der Belastung durch schädliche Umweltchemikalien und vielem mehr.
Die neue Technologie umfasst eine Reihe von Sensoren, die Veränderungen der Temperatur, des Wasserdampfgehalts, des Kohlendioxidgehalts (CO2) und der flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) präzise messen und so wertvolle Erkenntnisse über verschiedene Hautzustände und den allgemeinen Gesundheitszustand liefern. Diese Gase strömen in eine kleine Kammer innerhalb des Geräts, die über der Haut schwebt, ohne sie tatsächlich zu berühren. Dieses berührungslose Design ist besonders nützlich, um Informationen über empfindliche Haut zu sammeln, ohne das empfindliche Gewebe zu stören. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Der Artikel belegt die Wirksamkeit des Geräts bei Kleintieren und Menschen.
Neue Technologie für gefährdete Bevölkerungsgruppen
„Dieses Gerät ist eine natürliche Weiterentwicklung der tragbaren elektronischen Geräte unseres Labors, die Schweiß sammeln und analysieren“, sagte John A. Rogers von der Northwestern University, der die Studie mitgeleitet hat. „In diesem Fall haben wir den Schweiß analysiert, um mehr über den allgemeinen Gesundheitszustand des Trägers zu erfahren. Diese Methode ist zwar nützlich, erfordert jedoch eine pharmakologische Stimulation der Schweißdrüsen oder die Exposition gegenüber einer heißen, feuchten Umgebung. Wir haben darüber nachgedacht, was wir von der Haut erfassen könnten, das ständig auf natürliche Weise vorhanden ist. Es hat sich herausgestellt, dass von der Hautoberfläche alle möglichen Stoffe abgegeben werden – Wasserdampf, Kohlendioxid und flüchtige organische Verbindungen –, die mit dem zugrunde liegenden physiologischen Gesundheitszustand in Zusammenhang stehen können.“
Laut Guillermo A. Ameer von der Northwestern University, der die Studie mitgeleitet hat, hat diese Technologie das Potenzial, die klinische Versorgung zu revolutionieren, insbesondere für gefährdete Bevölkerungsgruppen wie Neugeborene, ältere Menschen, Diabetespatienten und andere Menschen mit geschädigter Haut. Das Schöne an dem Gerät ist laut den Forschern, dass es eine völlig neue Methode bietet, um den Zustand empfindlicher Haut zu beurteilen, ohne mit Wunden, Geschwüren oder Abschürfungen in Kontakt zu kommen. Dieses Gerät ist der erste große Schritt zur Messung von Gasveränderungen und zur Korrelation dieser Veränderungen mit dem Hautzustand.
Rogers ist ein Pionier der Bioelektronik und Louis Simpson und Kimberly Querrey Professor für Materialwissenschaft und -technik, Biomedizintechnik und Neurochirurgie an der Northwestern University – mit Lehraufträgen an der McCormick School of Engineering und der Feinberg School of Medicine der Northwestern University – sowie Direktor des Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Ameer ist Daniel Hale Williams-Professor für Biomedizinische Technik an der McCormick School of Engineering, Professor für Chirurgie an der Feinberg School of Medicine und Gründungsdirektor des neu gegründeten Querrey Simpson Institute for Regenerative Engineering an der Northwestern University (QSI RENU). Rogers und Ameer leiteten die Studie gemeinsam mit Yonggang Huang, Jan- und Marcia-Achenbach-Professor für Maschinenbau und Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen.
Hautgesundheit zu Hause selbst eruieren
Die äußerste Hautschicht, die sogenannte Hautbarriere, ist die erste Verteidigungslinie des Körpers gegen äußere Einflüsse. Sie bewahrt die Feuchtigkeit, indem sie übermäßigen Wasserverlust verhindert, und schützt vor Reizstoffen, Bakterien und UV-Strahlung. Ist die Hautbarriere geschädigt, kann dies zu erhöhtem Wasserverlust (bekannt als transepidermaler Wasserverlust oder TEWL), Hautempfindlichkeit und einem erhöhten Risiko für Infektionen und Entzündungserkrankungen wie Ekzemen und Psoriasis führen. „Die Haut ist für unseren Schutz vor der Umwelt von entscheidender Bedeutung“, so die Mitautorin der Studie, Dr. Amy Paller, Walter J. Hamlin-Professorin für Dermatologie und Vorsitzende der Abteilung für Dermatologie an der Feinberg. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Schutzfunktion ist die Hautbarriere, die sich vor allem durch eine beeindruckende Ansammlung dicht verwobener Proteine und Fette auszeichnet, die Wasser im Inneren halten und Reizstoffe, Giftstoffe, Mikroben und Allergene fernhalten.
Durch die Verfolgung von Veränderungen der Wasser- und Gasabgabe der Haut können medizinische Fachkräfte einen Einblick in die Integrität der Hautbarriere ihrer Patienten gewinnen. Zwar gibt es bereits Technologien zur Messung des Wasserverlusts, doch handelt es sich dabei um große, unhandliche Geräte, die meist in Krankenhäusern zum Einsatz kommen. Das kompakte, tragbare Gerät hingegen wurde entwickelt, um Ärzten die Fernüberwachung ihrer Patienten zu erleichtern und Menschen zu befähigen, ihre Hautgesundheit zu Hause selbst in die Hand zu nehmen. Der Goldstandard für die Messung der Hautbarriereintegrität ist ein großes Gerät mit einer Sonde, die intermittierend auf die Haut aufgesetzt wird, um Informationen über den transepidermalen Wasserverlust – also den Wasserfluss durch die Haut – zu sammeln. Ein Gerät, das den transepidermalen Wasserverlust aus der Ferne, kontinuierlich oder nach Vorgaben des Untersuchers messen kann, ohne den Patienten im Schlaf zu stören, ist ein großer Fortschritt.
Fundiertere und schnellere Entscheidungen zur Wundversorgung
Das Gerät ist nur zwei Zentimeter lang und eineinhalb Zentimeter breit und besteht aus einer Kammer, einer Reihe von Sensoren, einem programmierbaren Ventil, einer elektronischen Schaltung und einer kleinen wiederaufladbaren Batterie. Anstatt die Haut direkt zu berühren, schwebt die Kammer wenige Millimeter über ihr. Ein automatisches Ventil öffnet und schließt den Zugang zu dieser Kammer – eine Funktion, die den Zugang zwischen der geschlossenen Kammer und der Umgebungsluft dynamisch regelt. Wenn das Ventil geöffnet ist, strömen Gase in die Kammer hinein oder aus ihr heraus, sodass das Gerät eine Basislinie messen kann. Wenn das Ventil dann schnell schließt, werden die Gase in der Kammer eingeschlossen. Von dort aus messen die Sensoren die Veränderungen der Gaskonzentrationen im Laufe der Zeit.
Über Bluetooth sendet das Gerät diese Daten direkt an ein Smartphone oder Tablet, wo sie in Echtzeit überwacht werden können. Diese schnellen Ergebnisse helfen dem medizinischen Personal, fundiertere und schnellere Entscheidungen zur Wundversorgung und zur Verabreichung von Antibiotika zu treffen. Da erhöhte Wasserdampf-, CO2– und VOC-Konzentrationen mit Bakterienwachstum und verzögerter Heilung in Verbindung gebracht werden, kann die Überwachung dieser Faktoren Pflegekräften helfen, Infektionen früher und sicherer zu erkennen. „Die Verschreibung von Antibiotika bei Wunden kann ein gewisses Risiko darstellen“, erklärt Ameer, Experte für regenerative Verfahren zur Verbesserung der Wundheilung. Manchmal ist es schwer zu sagen, ob eine Wunde infiziert ist oder nicht. Wenn es offensichtlich ist, kann es bereits zu spät sein und der Patient kann eine Sepsis entwickeln, die unglaublich gefährlich ist. Um dies zu vermeiden, verschreiben Ärzte ein breites Spektrum an Antibiotika. Dies kann zu Antibiotikaresistenzen führen, die im Gesundheitswesen ein wachsendes Problem darstellen. Die Möglichkeit, eine Wunde genau und kontinuierlich zu überwachen und bei den ersten Anzeichen einer Infektion ein Antibiotikum zu verschreiben, ist daher von offensichtlichem und großem Interesse.
Eine kontinuierliche Überwachung ist zwar für alle Arten von Wunden wichtig, für Diabetespatienten jedoch besonders entscheidend. Ameer hat bereits verschiedene Strategien zur Behandlung von diabetischen Geschwüren entwickelt, darunter antioxidative Gele und regenerative Verbände. Vor zwei Jahren hat Ameer gemeinsam mit Rogers den ersten temporären elektronischen Verband entwickelt, der die Wundheilung durch elektrische Stimulation beschleunigt. Das neue Wearable ist ein weiteres Hilfsmittel, um diesen gefährdeten Patienten riskante Nebenwirkungen zu ersparen.
Bewertung der Sicherheit von Kosmetika und Körperpflegeprodukten
Die innovative neue Technologie bietet nicht nur beispiellose Einblicke in die Wundheilung und Hautgesundheit, sondern könnte auch den Weg für Fortschritte bei der Überwachung der Wirksamkeit von Insektenschutzmitteln, Hautcremes und systemischen Medikamenten zur Verbesserung der Hautgesundheit ebnen. CO2 und VOCs sind genau die Gase, die Mücken und andere Schädlinge anziehen. Die Messung dieser Emissionen aus der Haut könnte Forschern daher helfen, die Anziehungskraft auf Mücken zu verstehen und möglicherweise zu verringern. Das neue Gerät könnte Dermatologen und ihren Patienten auch ermöglichen, zu messen, wie schnell Lotionen und Cremes in die Haut eindringen, was Aufschluss über die Durchlässigkeit und Barrierefunktion der Haut geben könnte.
Diese Daten könnten auch anderen Forschern helfen, wirksamere transdermale Arzneimittelverabreichungssysteme zu entwickeln, die Wirkung systemisch verabreichter Medikamente gegen Hautkrankheiten zu überwachen und die Sicherheit von Kosmetika und Körperpflegeprodukten zu bewerten. Als Nächstes plant das Team der Northwestern University, die Funktionen des Geräts zu verfeinern, darunter die Hinzufügung eines Sensors zur Verfolgung von Veränderungen des pH-Werts und die Entwicklung von Gassensoren mit erhöhter chemischer Selektivität zur Früherkennung von Organfunktionsstörungen und anderen Krankheiten.