211service.com
Battlefield Medic på en chip
De fleste dødsfald på slagmarken sker inden for en halv time efter skaden - ofte for hurtigt til, at en soldat kan komme til en læge, endsige et hospital. Men et samarbejde mellem forskere ved University of California, San Diego (UCSD) og Clarkson University i New York, har til formål at ændre alt det med en chip, der kunne opdage skader og behandle dem næsten øjeblikkeligt.
Smart sensor: Joseph Wang håber at bruge fleksible elektroder, som den han holder her, til at skabe en chip, der diagnosticerer slagmarksskader.
I centrum af forskningen er en sensor, der stadig er under udvikling, som kan bruges til kontinuerligt at overvåge en soldats blod, sved eller endda tårer for biomarkører. Alle disse væsker indeholder glucose, oxygen, lactase og hormonet noradrenalin, som svinger afhængigt af en persons helbred og aktivitetsniveau. Specifikke, kollektive ændringer i disse markører kan indikere tilstedeværelsen af en skade. Og når først sensoren opfanger det, kan den overføre informationen andre steder på chippen eller til en anden chip og udløse frigivelse af en passende medicin. Det er i hvert fald tanken; virkeligheden kunne dog tage lidt tid at udvikle sig.
Projektlederen, Joseph Wang , er en nanoingeniørprofessor ved UCSD, hvis kontor er spækket med elektroniske sensorer af enhver form, men kun to størrelser: lille og endnu mindre. Wang, som tidligere har været med til at udvikle en ikke-invasiv glukosemonitor, der prøver sved, er ikke fremmed for kontinuerlig sansning. Men i stedet for kun at opfange ét signal, bliver den nye sensor nødt til at skelne mellem flere markører og fortolke resultaterne.
For at gøre dette samarbejder Wang med Clarkson's Evgeny Katz , som for nylig skabte et system, der bruger en enzymbaseret logisk gate til ikke kun at måle en kombination af biomarkører, men også bruge resultaterne til at stille en begrænset diagnose. Katz’ system er baseret på enzymdrevne reaktioner: i nærværelse af visse enzymatiske produkter låses ét sæt porte op og udløser en specifik kædereaktion; andre produkter udløser et helt andet sæt porte. Slutresultatet er en logisk kæde, der har potentialet til at identificere visse medicinske tilstande.
Indtil videre fungerer Katz's enzymlogikdiagnostik kun i løsning. Men Wang og Katz forestiller sig et system, der ville bruge en elektronisk sensor, en der indeholder enzymer, til at detektere tilstedeværelsen eller fraværet af de fire ovennævnte biomarkører: glucose, oxygen, lactase og noradrenalin. I forskellige kombinationer kan disse biomarkører indikere forskellige skader, såsom hjernetraume eller chok. Afhængigt af skaden vil elektroderne oversætte de enzymatiske resultater til en kode, der aktiverer signalafhængige membraner for at frigive den passende medicin. Hvis en soldat for eksempel skulle gå i hæmoragisk chok, ville elektroden registrere stigende niveauer af laktat, glukose og noradrenalin. Efterhånden som elektrodeenzymernes produktblanding begynder at ændre sig, vil reaktionen udløse den logiske port, der er unik for stød og potentielt signalere til frigivelse af den passende medicin. Vi ønsker at bygge en smart, intelligent sensor, der kan skelne mellem forskellige skader, træffe beslutningen om at behandle, og, når først den genkender skaden, behandle passende, siger Wang.
Hvis det hele lyder lidt teoretisk, er det fordi det er det. Katz og Wang forventer, at der vil gå fire år, før deres nyfinansierede projekt når færdiggørelsen. På dette stadium kan Katz ikke engang sige med sikkerhed, hvilke skader deres system kan genkende, eller præcis hvordan det kunne behandle dem. Lige nu, siger han, designer de simpelthen en logisk port, der kan skelne mellem forskellige skader - hvordan biomarkørkombinationerne ser ud og den enzymatiske kode til at fortolke dem. Dernæst vil de beslutte, hvilke kropsvæsker der ville fungere bedst, og derfra kan de begynde deres elektrodedesign.
Af de hundredvis af sensorer på Wangs kontor peger han på nogle få, som han mener kan være nyttige modeller. Den ene, beregnet til at blive rullet sammen til en tæt cylinder, er så lille, at den kunne passe ind i en tårekanal. En anden, større kunne have en lille subkutan sensor, der sidder lige under huden. Vi vil have noget, der ville være minimalt invasivt, eller mere ønskeligt, ikke-invasivt, som kunne prøve tårer, spyt eller sved, siger han.
Forskerne har en stor opgave foran sig. Jeg tror, at en vigtig udfordring er at finde ud af de ting, de kan fornemme, hvor pålidelige [de] vil være i en kampsituation, siger Martin Bazant , professor i maskinteknik ved Stanford University. Vil du være i stand til at tilføje værdi til soldaten uden at tilføje vægt eller risiko for funktionsfejl?
Bazant er bekendt med vanskelighederne ved at designe til soldater i kamp - han var et af de stiftende medlemmer af MIT's Institut for soldater nanoteknologier -og han bemærker, at udvikling af selve sensoren ville være en kæmpe velsignelse. At have evnen til at detektere nøjagtige niveauer af disse kemikalier i realtid på slagmarken, pålideligt - det er allerede interessant, siger han. En læge kunne læse det af og bruge det til at bestemme, hvor kritisk en patient er, om behandling er nødvendig, om en patient skal flyttes til et andet sted. Bazant er dog skeptisk over for brugen af et fuldautomatisk system til skadesregistrering og medicindosering i fravær af en læge.
Hvis Wang og Katz får succes, vil deres projekt have anvendelser ikke kun i krigstid, men i hverdagsmedicin. Læger har altid brug for sensorer, der giver et mere præcist billede af, hvad der foregår i en patients krop. Det kan tilpasses til at opdage hjertemarkører - for eksempel til hurtigt at diagnosticere et hjerteanfald eller et slagtilfælde. Dette kan være nyttigt, når vi har noget presserende, der kræver hurtig handling, siger Wang.