I ricercatori della Northwestern University hanno sviluppato il primo dispositivo indossabile per misurare i gas emessi e assorbiti dalla pelle. Analizzando questi gas, il dispositivo offre un modo completamente nuovo di valutare la salute della pelle, tra cui il monitoraggio delle ferite, l’individuazione di infezioni cutanee, il monitoraggio dei livelli di umidità, la quantificazione dell’esposizione a sostanze chimiche ambientali nocive e molto altro ancora.
La nuova tecnologia incorpora una serie di sensori che misurano accuratamente le variazioni di temperatura, i livelli di vapore acqueo, l’anidride carbonica(CO2) e i composti organici volatili (COV), fornendo preziose indicazioni sulle varie condizioni della pelle e sulla salute generale. Questi gas fluiscono in una piccola camera all’interno del dispositivo che galleggia sopra la pelle senza toccarla. Questo design senza contatto è particolarmente utile per raccogliere informazioni sulla pelle sensibile senza disturbare i tessuti delicati. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature. L’articolo dimostra l’efficacia del dispositivo su piccoli animali e sull’uomo.
Una nuova tecnologia per le popolazioni vulnerabili
“Questo dispositivo è la naturale evoluzione dei dispositivi elettronici indossabili del nostro laboratorio che raccolgono e analizzano il sudore”, ha dichiarato John A. Rogers della Northwestern University, coautore dello studio. “In questo caso, abbiamo analizzato il sudore per saperne di più sulla salute generale di chi lo indossa. Pur essendo utile, questo metodo richiede la stimolazione farmacologica delle ghiandole sudoripare o l’esposizione a un ambiente caldo e umido. Abbiamo pensato a ciò che potremmo catturare dalla pelle e che è costantemente presente in natura. È emerso che dalla superficie della pelle vengono emesse sostanze di ogni tipo – vapore acqueo, anidride carbonica e composti organici volatili – che possono essere correlate alle condizioni di salute fisiologiche sottostanti”.
Secondo Guillermo A. Ameer della Northwestern University, che ha co-diretto lo studio, questa tecnologia ha il potenziale per rivoluzionare l’assistenza clinica, soprattutto per le popolazioni vulnerabili come i neonati, gli anziani, i pazienti diabetici e altre persone con la pelle danneggiata. Il bello del dispositivo, secondo i ricercatori, è che fornisce un modo completamente nuovo per valutare le condizioni della pelle sensibile senza entrare in contatto con ferite, ulcere o abrasioni. Questo dispositivo è il primo grande passo verso la misurazione dei cambiamenti di gas e la correlazione di questi cambiamenti con le condizioni della pelle.
Rogers è un pioniere della bioelettronica e professore di Scienza dei Materiali e Ingegneria, Ingegneria Biomedica e Neurochirurgia presso la Northwestern University – con incarichi di insegnamento presso la McCormick School of Engineering e la Feinberg School of Medicine della Northwestern University – e direttore del Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Ameer è professore di ingegneria biomedica presso la McCormick School of Engineering, professore di chirurgia presso la Feinberg School of Medicine e direttore del nuovo Querrey Simpson Institute for Regenerative Engineering della Northwestern University (QSI RENU). Rogers e Ameer hanno condotto lo studio insieme a Yonggang Huang, professore di ingegneria meccanica e di ingegneria civile e ambientale di Jan e Marcia Achenbach.
Determinare la salute della pelle a casa
Lo strato più esterno della pelle, noto come barriera cutanea, è la prima linea di difesa dell’organismo contro le influenze esterne. Preserva l’idratazione impedendo un’eccessiva perdita di acqua e protegge da sostanze irritanti, batteri e radiazioni UV. Se la barriera cutanea viene danneggiata, si può verificare una maggiore perdita d’acqua (nota come perdita d’acqua transepidermica o TEWL), sensibilità della pelle e un aumento del rischio di infezioni e malattie infiammatorie come eczema e psoriasi. “La pelle è fondamentale per la nostra protezione dall’ambiente”, ha dichiarato la coautrice dello studio Amy Paller, professore di dermatologia Walter J. Hamlin e presidente del dipartimento di dermatologia del Feinberg. Una componente chiave di questa funzione protettiva è la barriera cutanea, caratterizzata da un’impressionante collezione di proteine e lipidi strettamente intrecciati che trattengono l’acqua all’interno e tengono fuori irritanti, tossine, microbi e allergeni.
Tracciando i cambiamenti nel rilascio di acqua e gas da parte della pelle, gli operatori sanitari possono avere un’idea dell’integrità della barriera cutanea dei loro pazienti. Esiste già una tecnologia per misurare la perdita di acqua, ma si tratta di dispositivi grandi e ingombranti, utilizzati soprattutto negli ospedali. Il dispositivo compatto e portatile, invece, è stato sviluppato per facilitare il monitoraggio a distanza dei pazienti da parte dei medici e per consentire alle persone di controllare la propria salute cutanea a casa. Il gold standard per la misurazione dell’integrità della barriera cutanea è un dispositivo di grandi dimensioni con una sonda che viene posizionata a intermittenza sulla pelle per raccogliere informazioni sulla perdita d’acqua transepidermica – il flusso d’acqua attraverso la pelle. Un dispositivo in grado di misurare la perdita di acqua transepidermica a distanza, in modo continuo o secondo le istruzioni dell’esaminatore, senza disturbare il paziente durante il sonno, rappresenta un importante progresso.
Decisioni più informate e rapide sulla cura delle ferite
Il dispositivo, lungo solo due centimetri e largo uno e mezzo, è composto da una camera, una serie di sensori, una valvola programmabile, un circuito elettronico e una piccola batteria ricaricabile. Invece di toccare direttamente la pelle, la camera galleggia a pochi millimetri da essa. Una valvola automatica apre e chiude l’accesso a questa camera – una funzione che regola dinamicamente l’accesso tra la camera chiusa e l’aria circostante. Quando la valvola è aperta, i gas entrano ed escono dalla camera, consentendo al dispositivo di misurare una linea di base. Quando la valvola si chiude rapidamente, i gas rimangono intrappolati nella camera. Da qui, i sensori misurano le variazioni delle concentrazioni di gas nel tempo.
Tramite Bluetooth, il dispositivo invia questi dati direttamente a uno smartphone o a un tablet, dove possono essere monitorati in tempo reale. Questi risultati rapidi aiutano il personale medico a prendere decisioni più informate e veloci sulla cura delle ferite e sulla somministrazione di antibiotici. Poiché elevate concentrazioni di vapore acqueo,CO2 e VOC sono associate alla crescita batterica e a ritardi nella guarigione, il monitoraggio di questi fattori può aiutare gli operatori a individuare le infezioni prima e in modo più sicuro. “La prescrizione di antibiotici per le ferite può comportare dei rischi”, spiega Ameer, esperto di procedure rigenerative per migliorare la guarigione delle ferite. A volte è difficile capire se una ferita è infetta o meno. Se è evidente, potrebbe essere già troppo tardi e il paziente potrebbe sviluppare una setticemia, che è incredibilmente pericolosa. Per evitare ciò, i medici prescrivono un’ampia gamma di antibiotici. Questo può portare alla resistenza agli antibiotici, che è un problema crescente nel settore sanitario. La capacità di monitorare attentamente e costantemente una ferita e di prescrivere un antibiotico al primo segno di infezione è quindi di ovvio e grande interesse.
Sebbene il monitoraggio continuo sia importante per tutti i tipi di ferite, è particolarmente cruciale per i pazienti diabetici. Ameer ha già sviluppato diverse strategie per il trattamento delle ulcere diabetiche, tra cui gel antiossidanti e medicazioni rigenerative. Due anni fa, Ameer ha collaborato con Rogers per sviluppare la prima medicazione elettronica temporanea che utilizza la stimolazione elettrica per accelerare la guarigione delle ferite. Il nuovo dispositivo indossabile è un altro strumento per aiutare questi pazienti vulnerabili a evitare i rischiosi effetti collaterali.
Valutare la sicurezza dei cosmetici e dei prodotti per la cura della persona
La nuova tecnologia innovativa non solo offre una visione senza precedenti della guarigione delle ferite e della salute della pelle, ma potrebbe anche aprire la strada a progressi nel monitoraggio dell’efficacia di repellenti per insetti, creme per la pelle e farmaci sistemici per migliorare la salute della pelle. LaCO2 e i COV sono gli stessi gas che attirano le zanzare e altri parassiti. Misurare queste emissioni dalla pelle potrebbe quindi aiutare i ricercatori a capire e potenzialmente ridurre l’attrazione per le zanzare. Il nuovo dispositivo potrebbe anche consentire ai dermatologi e ai loro pazienti di misurare la velocità con cui lozioni e creme penetrano nella pelle, fornendo così informazioni sulla permeabilità e sulla funzione di barriera della pelle.
Questi dati potrebbero anche aiutare altri ricercatori a sviluppare sistemi di somministrazione transdermica di farmaci più efficaci, a monitorare gli effetti dei farmaci somministrati per via sistemica per le malattie della pelle e a valutare la sicurezza dei cosmetici e dei prodotti per la cura personale. Il team della Northwestern University intende poi perfezionare le caratteristiche del dispositivo, aggiungendo un sensore per monitorare le variazioni di pH e sviluppando sensori di gas con una maggiore selettività chimica per il rilevamento precoce di disfunzioni degli organi e altre malattie.