Biträdande professor i medicinsk teknik Wei Gao berikar området för personlig och precisionsmedicin med en riklig källa till kemiska data:svett.

Gaos svettanalysteknik möjliggör tidig upptäckt av fysiologiska avvikelser, skräddarsydda behandlingsplaner, och större noggrannhet i läkemedelsövervakning. Låg energi, till exempel, är ett symptom som kan associeras med en mängd hälsoproblem, men en svettläsande biosensor kan upptäcka onormala kemiska reaktioner i kroppen som är förknippade med specifika tillstånd.

Det som följer är tre exempel på hur Gaos biosensorer en dag kan hjälpa läkare att tolka vad som kan vara dig sjuk.

Metabolisk monitor

Låg energi är en vanlig indikator på olika metabola störningar, men en sensoravläsning som visar obalanser i socker och elektrolyter skulle få en läkare att undersöka diabetes.

Bärbara svettanalysatorer kan hjälpa 30 miljoner amerikaner som har diabetes att övervaka sitt tillstånd. Och för de ytterligare 84 miljoner amerikanska medborgare med pre-diabetes, biosensorer kan hjälpa till att ge tidig upptäckt av typ 2-diabetes, hjärtsjukdom, och stroke. Sensorerna kan också spåra biomarkörer som pekar på obalanser i samband med cystisk fibros och gikt.

"Sensorn kan fungera som både ett diagnostiskt och ett sjukdomshanteringsverktyg, " säger Caltech doktorand Yiran Yang, som utvecklar bärbara sensorer som övervakar metabola störningar. Hon förklarar:"Även om många livsmedel har näringsdeklarationer, detta hjälper inte patienter med vissa metabola störningar att förstå sina personliga gränser. Genom att övervaka sammansättningen av deras svett under dagen, patienter kan se hur kosten påverkar dem."

Under 2017, Yang blev den första forskaren som gick med i Gaos labb. Sedan dess, gruppen har vuxit till att omfatta ytterligare tre doktorander, tre postdoktorer, fyra gästforskare, och fyra studenter. Teamet arbetar med Gao om biosensorteknologi och andra syntetiska mikro- och nanobioelektroniska medicinska apparater.

Mental Health Monitor

Låg energi kan också vara ett symptom på depressiva sjukdomar, men diagnoser för posttraumatisk stress, förlossningsdepression, eller självmordstankar idag bygger till stor del på frågeformulär. Gao strävar efter att ersätta denna subjektiva process med objektiva mätningar.

"Många människor vet inte att de är deprimerade, och andra vet att de är det men säg inget om det, " Gao säger. "Kemisk analys av deras svett kan ge tidig varning för dessa tillstånd och hjälpa vårdgivare att skilja mellan typer av depressiva sjukdomar och identifiera de bästa behandlingsalternativen."

Höga nivåer av stresshormoner som kortisol, och markörer för inflammation som cytokiner, är förknippade med depressiva sjukdomar. Men normala värden för dessa biomarkörer är olika för alla, och fluktuera under dagen. "Med en biosensor, vi kunde kontinuerligt övervaka en individs molekylära data över tid och bestämma hans eller hennes personliga baslinje, " förklarar Gao. ""så kunde vi kvantitativt se om det finns ett problem."

Under 2017, Gao var bland de första forskarna som fick stöd genom Caltechs Carver Mead New Adventures Fund. Tidigare studenter vid Mead etablerade fonden 2014 för att stödja innovativa, forskning i tidiga skeden. "Det här bidraget gav mig självförtroende att utveckla övervakningen av mental hälsa, "Gao säger, "och vi gör fina framsteg i den här riktningen."

Läkemedelsmonitor

I andra fall, låg energi kan signalera att en patients recept är avstängt. "Vissa människor behöver lägre doser, medan andra behöver högre doser, " förklarar Gao. "En del övermedicinerar, och många glömmer helt enkelt bort att ta sina mediciner." Biosensorer kan avsevärt förbättra läkarnas förmåga att spåra patientens efterlevnad och utvärdera läkemedelseffektivitet.

Tills nu, farmakokinetik (studien av hur läkemedel absorberas, distribuerad, och metaboliserat) har informerats främst av data som samlats in på sjukhus och labb.

Receptbelagda doser och terapeutiska fönster extrapoleras från relativt små patientpopulationer eftersom insamling av data om läkemedelskoncentrationer kräver bloduttag med tidsintervall. Trådlös, bärbara biosensorer skulle möjliggöra kontinuerlig övervakning av större patientpopulationer över längre tidsperioder.

"När vi utvecklar denna lågkostnad, bärbar teknologi, vi tänker på hur det särskilt skulle kunna hjälpa människor i utvecklingsländer där det finns få medicinska resurser, " säger Gao. "Men visst kan det också gynna miljoner här i USA."