Анализ крови без крови: технология отслеживает уровень натрия без единой иглы

В новом исследовании специалисты из Тяньцзиньского университета представили технологию длительного неинвазивного отслеживания уровня натрия в крови. Для этого они использовали систему, объединяющую оптоакустическую детекцию и терагерцовую спектроскопию. Точное определение концентрации натрия в крови играет ключевую роль в выявлении и лечении таких состояний, как обезвоживание, болезни почек, а также ряд неврологических и эндокринных нарушений.

В журнале Optica ученые представили новую мультиспектральную терагерцовую оптоакустическую систему. Они показали, что эта технология позволяет длительно и неинвазивно отслеживать уровень натрия у живых мышей без применения каких-либо меток. Первые испытания на добровольцах также дали обнадеживающие результаты. Терагерцовое излучение, располагающееся между микроволнами и средним инфракрасным диапазоном электромагнитного спектра, отлично подходит для биомедицинских задач. Оно обладает низкой энергией, не повреждает ткани, меньше рассеивается по сравнению с ближним инфракрасным и видимым светом, а также способно улавливать структурные и функциональные изменения в биологических объектах.

Это исследование стало частью более обширного проекта, цель которого – внедрить терагерцовую технологию в медицину с помощью оптоакустических методов. Одним из основных вызовов в этом направлении является влияние воды, активно поглощающей терагерцовое излучение и тем самым создающей шум в сигнале. Чтобы решить эту проблему, ученые разработали модульную систему, в которой образец облучается терагерцовыми волнами. Под действием этих волн ионы натрия, связанные с молекулами воды в крови, начинают вибрировать, в результате чего возникают ультразвуковые колебания. Эти звуковые волны улавливаются с помощью ультразвукового датчика. Такой подход, известный как оптоакустическая детекция, позволяет преобразовывать поглощенную терагерцовую энергию в акустический сигнал для последующего анализа.

В рамках испытаний новой системы ученые показали, что она способна отслеживать повышение концентрации натрия в подкожных сосудах живых мышей с миллисекундной точностью на протяжении более 30 минут. Измерения проводились на ушной поверхности, при этом кожа охлаждалась до 8 °C, чтобы снизить фоновый оптоакустический шум, создаваемый водой. Кроме того, исследователи подтвердили, что разработанная терагерцовая оптоакустическая система может эффективно различать высокое и низкое содержание натрия в образцах человеческой крови. Также они провели неинвазивные измерения концентрации ионов натрия в кровеносных сосудах рук у здоровых добровольцев. Выяснилось, что регистрируемый оптоакустический сигнал от натрия был прямо пропорционален объему кровотока под кожей – и это даже без предварительного охлаждения. Хотя предстоит еще провести дополнительные исследования, полученные данные указывают на потенциал этой технологии для неинвазивного мониторинга натрия в реальном времени.