Forskare från Rutgers University-New Brunswick har skapat en grafenbaserad sensor som kan leda till tidigare upptäckt av hotande astmaattacker och förbättra hanteringen av astma och andra luftvägssjukdomar, förhindra sjukhusinläggningar och dödsfall.

Sensorn banar väg för utvecklingen av enheter – som möjligen liknar träningsspårare som Fitbit – som folk kan bära och sedan vet när och i vilken dos de ska ta sin medicin.

"Vår vision är att utveckla en enhet som någon med astma eller annan luftvägssjukdom kan bära runt halsen eller handleden och blåsa i den med jämna mellanrum för att förutsäga början av en astmaanfall eller andra problem, sa Mehdi Javanmard, en biträdande professor vid institutionen för elektro- och datateknik. "Det främjar området för personlig och precisionsmedicin."

Javanmard och ett mångsidigt team av Rutgers-New Brunswick-experter beskriver sin uppfinning i en studie publicerad online idag i tidskriften Mikrosystem och nanoteknik .

Astma, som orsakar inflammation i luftvägarna och hindrar luftflödet, påverkar cirka 300 miljoner människor världen över. Omkring 17,7 miljoner vuxna och 6,3 miljoner barn i USA diagnostiserades med astma 2014. Symtom inkluderar hosta, väsande andning, andnöd, och brösttäthet. Andra allvarliga lungsjukdomar inkluderar kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL), som omfattar emfysem och kronisk bronkit.

Dagens icke-invasiva metoder för att diagnostisera och övervaka astma är begränsade när det gäller att karakterisera karaktären och graden av luftvägsinflammation, och kräver kostsamma, skrymmande utrustning som patienter inte lätt kan ha med sig. Metoderna inkluderar spirometri, som mäter andningsförmåga, och testning för utandad kväveoxid, en indikator på luftvägsinflammation. Det finns ett akut behov av förbättrade, minimalt invasiva metoder för molekylär diagnos och övervakning av astma, säger studien.

Att mäta biomarkörer i utandningsluftkondensat – små vätskedroppar som släpps ut under andning – kan bidra till att förstå astma på molekylär nivå och leda till riktad behandling och bättre hantering av sjukdomar.

Rutgers-forskarnas miniatyriserade elektrokemiska sensor mäter noggrant nitrit i utandningskondensat med reducerad grafenoxid. Reducerad grafenoxid motstår korrosion, har överlägsna elektriska egenskaper och är mycket noggrann i att detektera biomarkörer. Grafen är ett tunt lager av grafit som används i pennor.

"Nitritnivån i andningskondensat är en lovande biomarkör för inflammation i luftvägarna. Med en snabb, enkel metod att mäta det kan hjälpa en astmatiker att avgöra om luftföroreningar påverkar dem så att de bättre kan hantera användningen av medicin och fysisk aktivitet, "sa Clifford Weisel, studie medförfattare och professor vid Rutgers' Environmental and Occupational Health Sciences Institute (EOHSI). "Det kan också användas på en läkarmottagning och akutmottagningar för att övervaka effektiviteten av olika antiinflammatoriska läkemedel för att optimera behandlingen."

"Ökningar av luftvägsinflammation kan vara ett tidigt varningstecken för ökad risk för en astmaanfall eller exacerbation av KOL, möjliggör tidigare och mer effektiva förebyggande åtgärder eller behandling, sa Robert Laumbach, studera medförfattare och en arbets- och miljömedicinsk läkare vid EOHSI.

"Bara titta på hosta, väsande andning och andra yttre symtom, diagnosnoggrannheten är ofta dålig, så det är därför denna idé att övervaka biomarkörer kontinuerligt kan resultera i ett paradigmskifte, "sa Javanmard, som arbetar på Ingenjörshögskolan. "Förmågan att utföra etikettfri kvantifiering av nitritinnehåll i utandningsluftkondensat i ett enda steg utan någon provförbehandling löser en viktig flaskhals för att möjliggöra bärbar astmahantering."

Nästa steg är att utveckla en bärbar, bärbart system, som kan vara kommersiellt tillgänglig inom fem år, han sa. Forskarna föreställer sig också att utöka antalet biomarkörer för inflammation som en enhet kan upptäcka och mäta.

"Bara i USA, allergiinflammation, astma och olika andningssjukdomar ökar, så enheter som kan hjälpa till att diagnostisera, övervaka och hantera dessa förhållanden kommer att vara i hög efterfrågan, "Sa Javanmard.