La Universidad Northwestern presenta un dispositivo portátil para medir el aliento de la piel

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El dispositivo, que mide sólo dos centímetros de largo y un centímetro y medio de ancho, consta de una cámara, un conjunto de sensores, una válvula programable, un circuito electrónico y una pequeña batería recargable. En lugar de tocar la piel directamente, la cámara flota unos milímetros por encima de ella. (Imagen:Cortesía de John Rogers)

Investigadores de la Universidad Northwestern han desarrollado el primer dispositivo portátil para medir los gases emitidos y absorbidos por la piel. Al analizar estos gases, el dispositivo ofrece una nueva forma de evaluar la salud de la piel, incluido el seguimiento de heridas, la detección de infecciones de la piel, el seguimiento de los niveles de hidratación, la cuantificación de la exposición a sustancias químicas ambientales nocivas y más.

La nueva tecnología comprende una colección de sensores que miden con precisión los cambios de temperatura, vapor de agua, dióxido de carbono (CO2) y compuestos orgánicos volátiles (COV), cada uno de los cuales brinda información valiosa sobre diversas afecciones de la piel y la salud en general. Estos gases fluyen hacia una pequeña cámara dentro del dispositivo que flota sobre la piel sin tocarla. Este diseño sin contacto es particularmente útil para recopilar información sobre la piel frágil sin alterar los tejidos delicados.

El estudio, publicado en la revista Nature , demuestra la eficacia del dispositivo en animales pequeños y humanos.

"Este dispositivo es una evolución natural de los dispositivos electrónicos portátiles de nuestro laboratorio que recolectan y analizan el sudor", dijo John A. Rogers de Northwestern, quien codirigió el estudio. "En ese caso, estábamos analizando el sudor para conocer la salud general del usuario. Si bien es útil, ese método requiere estimulación farmacológica de las glándulas sudoríparas o exposición a un ambiente cálido y húmedo. Comenzamos a pensar en lo que podríamos capturar de la piel que ocurre naturalmente todo el tiempo. Resulta que hay todo tipo de cosas que salen de la superficie de la piel (vapor de agua, dióxido de carbono y compuestos orgánicos volátiles) que pueden correlacionarse con la salud fisiológica subyacente".

"Esta tecnología tiene el potencial de transformar la atención clínica, particularmente para las poblaciones vulnerables, incluidos los recién nacidos, los ancianos, los pacientes con diabetes y otras personas con la piel comprometida", dijo Guillermo A. Ameer, de Northwestern, quien codirigió el estudio. "La belleza de nuestro dispositivo es que encontramos una forma completamente novedosa de evaluar el estado de la piel delicada sin tener que entrar en contacto con heridas, úlceras o abrasiones. Este dispositivo es el primer paso importante hacia la medición de los cambios en los gases y la correlación de esos cambios con el estado de la piel".

Rogers, un pionero de la bioelectrónica, es profesor Louis Simpson y Kimberly Querrey de ciencia e ingeniería de materiales, ingeniería biomédica y cirugía neurológica en Northwestern (con nombramientos en la Escuela de Ingeniería McCormick y la Escuela de Medicina Feinberg de Northwestern) y director del Instituto Querrey Simpson de Bioelectrónica. Ameer es profesor Daniel Hale Williams de Ingeniería Biomédica en McCormick, profesor de cirugía en Feinberg y director del Centro de Ingeniería Regenerativa Avanzada. Rogers y Ameer codirigieron el estudio con Yonggang Huang, profesor Jan y Marcia Achenbach de Ingeniería Mecánica y profesor de ingeniería civil y ambiental.

Llamada barrera cutánea, la capa más externa de la piel es la primera línea de defensa del cuerpo contra el entorno externo. Mantiene la hidratación evitando la pérdida excesiva de agua y actúa como barrera contra irritantes, bacterias y radiación ultravioleta. Cuando la barrera cutánea se ve comprometida, puede provocar una mayor pérdida de agua (conocida como pérdida transepidérmica de agua o TEWL), sensibilidad de la piel y riesgo de infección, y afecciones inflamatorias como eccema y psoriasis.

"La piel es fundamental para protegernos del medio ambiente", dijo la coautora del estudio, la Dra. Amy Paller, profesora de Dermatología Walter J. Hamlin y presidenta del Departamento de Dermatología de Feinberg. "Un elemento importante de esta función protectora es la barrera cutánea, que se caracteriza en gran medida por una formidable colección de proteínas y grasas estrechamente entretejidas que mantienen el agua dentro y los irritantes, toxinas, microbios y alérgenos fuera".

Al rastrear los cambios en la emisión de vapor de agua y gases de la piel, los profesionales de la salud pueden vislumbrar la integridad de las barreras cutáneas de sus pacientes. Si bien existen tecnologías para medir la pérdida de vapor de agua, son máquinas grandes y engorrosas que residen en gran medida en entornos hospitalarios. Por otro lado, el dispositivo portátil compacto está diseñado para ayudar a los médicos a controlar a sus pacientes de forma remota y permitir a las personas tomar el control de la salud de su piel en casa.

"El estándar de oro para medir la integridad de la barrera cutánea es un instrumento grande con una sonda que se toca la piel de forma intermitente para recopilar información sobre la pérdida transepidérmica de agua, o el flujo de agua a través de la piel", dijo Paller. "Tener un dispositivo que pueda medir la pérdida de agua transepidérmica de forma remota, continua o según lo programado por el investigador, y sin perturbar al paciente durante el sueño, es un avance importante".

El dispositivo, que mide sólo dos centímetros de largo y un centímetro y medio de ancho, consta de una cámara, un conjunto de sensores, una válvula programable, un circuito electrónico y una pequeña batería recargable. En lugar de tocar la piel directamente, la cámara flota unos milímetros por encima de ella.

"Los sensores portátiles tradicionales dependen del contacto físico con la piel, lo que limita su uso en situaciones sensibles, como el cuidado de heridas o para personas con piel frágil", dijo Rogers. "Nuestro dispositivo supera esta limitación creando una pequeña cámara cerrada sobre la superficie de la piel".

Una válvula automática abre y cierra la entrada a esta cámara, una función que controla dinámicamente el acceso entre la cámara cerrada y el aire ambiente circundante. Cuando la válvula está abierta, los gases entran o salen de la cámara, lo que permite que el dispositivo establezca una medición de referencia. Luego, cuando la válvula se cierra rápidamente, atrapa gases dentro de la cámara. A partir de ahí, la serie de sensores mide los cambios en las concentraciones de gas a lo largo del tiempo.

"Si nuestro dispositivo no incorporara una válvula programable y un enfoque de medición dinámica del tiempo para cuantificar el flujo de especies que entran y salen de la piel en tiempo real, entonces el sistema podría verse confundido por cambios en las concentraciones de estas especies que podrían variar naturalmente en el entorno circundante", dijo Rogers. "Si la válvula estuviera abierta todo el tiempo, el sensor detectaría este tipo de cambios, no debido a nada asociado con la piel. Por otro lado, si la válvula estuviera siempre cerrada, perturbaría los patrones naturales de flujo de una manera que tampoco podría tener en cuenta los factores ambientales. Para los trabajadores en entornos potencialmente peligrosos, es útil saber cuántas de esas especies peligrosas ingresan al cuerpo a través de la piel".

Mediante Bluetooth, el dispositivo envía estos datos directamente a un teléfono inteligente o tableta para su monitoreo en tiempo real. Estos rápidos resultados pueden ayudar a los trabajadores de la salud a tomar decisiones más informadas y más rápidas para el tratamiento de heridas y la administración de antibióticos.

Debido a que el aumento de vapor de agua, CO2 y COV se asocian con el crecimiento bacteriano y un retraso en la curación, monitorear estos factores puede ayudar a los cuidadores a detectar infecciones antes y con más confianza.

"Prescribir antibióticos para las heridas puede ser un poco arriesgado", dijo Ameer, experto en enfoques de ingeniería regenerativa para mejorar la cicatrización de heridas. "A veces es difícil saber si una herida está infectada o no. Cuando es obvio, puede ser demasiado tarde y el paciente puede desarrollar sepsis, lo cual es increíblemente peligroso. Para evitar esto, los médicos recetan un amplio espectro de antibióticos. Esto puede generar resistencia a los antibióticos, lo cual es un problema creciente en el cuidado de la salud. Ser capaz de monitorear de cerca y continuamente una herida y recetar un antibiótico ante el primer signo de infección es un interés obvio e importante".

Si bien la monitorización continua es importante para todo tipo de heridas, es particularmente crucial para los pacientes diabéticos. Ameer ha desarrollado previamente varias estrategias, incluidos geles antioxidantes y vendajes regenerativos, para el tratamiento de las úlceras diabéticas. Hace apenas dos años, Ameer se asoció con Rogers para crear el primer vendaje electrónico transitorio, que utilizaba estimulación eléctrica para acelerar la cicatrización de heridas. Este nuevo dispositivo portátil proporciona otra herramienta más para ayudar a estos pacientes vulnerables a evitar efectos secundarios riesgosos.

"Las úlceras diabéticas son la principal causa no traumática de amputaciones de miembros inferiores en todo el mundo", afirmó Ameer. "A veces puede parecer que la herida se está cerrando, pero la función de barrera cutánea no se restablece del todo. Nuestro dispositivo puede medir con precisión los gases emitidos, lo que proporciona información útil sobre la función de barrera cutánea".

Esta nueva e innovadora tecnología no solo ofrece conocimientos sin precedentes sobre la curación de heridas y la salud de la piel, sino que también podría allanar el camino para avances en el seguimiento de la eficacia de repelentes de insectos, cremas para la piel y medicamentos sistémicos diseñados para mejorar la salud de la piel.

El CO2 y los COV son los mismos gases que atraen a los mosquitos y otras plagas. Por lo tanto, medir estas emisiones de la piel podría ayudar a los investigadores a comprender y potencialmente mitigar la atracción de los mosquitos. El nuevo dispositivo también podría permitir a los dermatólogos y a sus pacientes medir la rapidez con la que las lociones y cremas penetran en la piel, lo que podría proporcionar información sobre la permeabilidad de la piel y la función de barrera. Estos datos también podrían ayudar a otros investigadores a desarrollar sistemas de administración transdérmica de medicamentos más efectivos, monitorear los efectos de los medicamentos administrados sistémicamente para enfermedades de la piel y evaluar la seguridad de los cosméticos y productos de cuidado personal.

A continuación, el equipo de Northwestern planea perfeccionar las capacidades del dispositivo, incluida la adición de un sensor para rastrear los cambios en los niveles de pH y el desarrollo de sensores de gas con mayor selectividad química para la detección temprana de disfunción orgánica y otras enfermedades.

"Esta plataforma portátil inusual proporciona una nueva forma de pensar y comprender la salud de la piel", dijo Rogers. "Esta tecnología no se trata solo de medir gases y las características correspondientes de la piel. Se trata de predecir la salud general, prevenir infecciones y enfermedades y crear un futuro en el que la atención personalizada esté impulsada por un seguimiento de la salud continuo, no invasivo y en tiempo real a través de una nueva colección de parámetros que complementan aquellos que se pueden capturar con dispositivos portátiles convencionales".

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