Η συσκευή ABLE θα μπορούσε μια μέρα να ανιχνεύει ιούς ή βακτήρια που αιωρούνται στον αέρα σε νοσοκομεία ή δημόσιους χώρους, να βελτιώσει τη φροντίδα νεογνών ή να επιτρέψει σε ανθρώπους με διαβήτη να παρακολουθούν τα επίπεδα γλυκόζης μέσω της αναπνοής τους.
ABLE: Φορητή τεχνολογία που αιχμαλωτίζει μόρια στην αναπνοή για την υποστήριξη ιατρικής φροντίδας
Αν έχετε ποτέ περιμένει στο ιατρείο για να δώσετε δείγμα αίματος, ίσως έχετε ευχηθεί να υπήρχε τρόπος να πάρετε τις ίδιες πληροφορίες χωρίς να χρειάζεται να χρησιμοποιηθούν βελόνες.
Παρά τις πολλές ιατρικές προόδους του 20ού αιώνα, η ανίχνευση μορίων βασίζεται κυρίως σε υγρά δείγματα, όπως το αίμα. Ωστόσο, νέα έρευνα από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο μπορεί να προσφέρει μια εναλλακτική λύση. Μια ομάδα επιστημόνων ανέπτυξε μια μικρή, φορητή συσκευή που μπορεί να συλλέγει και να ανιχνεύει μόρια στον αέρα – μια επανάσταση με πιθανές εφαρμογές στην ιατρική και τη δημόσια υγεία.
Η συσκευή, που ονομάζεται ABLE, θα μπορούσε μια μέρα να ανιχνεύει ιούς ή βακτήρια που αιωρούνται στον αέρα σε νοσοκομεία και δημόσιους χώρους, να βοηθά στην παρακολούθηση νεογνών ή να επιτρέπει σε ανθρώπους με διαβήτη να μετρούν τη γλυκόζη μέσω της αναπνοής τους. Ολόκληρη η συσκευή έχει διαστάσεις μόλις τέσσερις επί οκτώ ίντσες.
«Αυτό το έργο είναι από τα πιο συναρπαστικά που έχουμε αναλάβει», δήλωσε ο καθηγητής του UChicago Bozhi Tian, ένας από τους κύριους συγγραφείς της μελέτης.
«Υπάρχουν τόσες πολλές πιθανές εφαρμογές. Είμαστε χαρούμενοι που βλέπουμε το αποτέλεσμα.»
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στις 21 Μαΐου στο περιοδικό Nature Chemical Engineering.
Μετατροπή αέρα σε υγρό
Εδώ και δεκαετίες, η ανίχνευση μορίων στον αέρα ήταν πιο δύσκολη από την ανίχνευση των ίδιων μορίων σε υγρά. Γι’ αυτό οι γιατροί βασίζονται σε εξετάσεις αίματος και οι διαβητικοί συχνά χρειάζονται καθημερινές τρυπήσεις. Ακόμα και τα τεστ COVID που πολλοί χρησιμοποιούν στο σπίτι απαιτούν την προσθήκη υγρών σταγόνων.
«Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τα κινητά για να βγάλουμε φωτογραφίες ή να ηχογραφήσουμε ήχο, αλλά δεν έχουμε αντίστοιχη τεχνολογία για να δούμε τη χημεία του αέρα», εξήγησε ο Jingcheng Ma, πρώτος συγγραφέας της μελέτης, που ήταν μεταδιδακτορικός ερευνητής στο UChicago και τώρα είναι βοηθός καθηγητή στο Πανεπιστήμιο Notre Dame.
Μέρος της πρόκλησης είναι η αραίωση. Στον αέρα, τα σωματίδια που θέλεις να ανιχνεύσεις – όπως λίγοι ιοί – μπορεί να είναι τόσο σπάνια όσο ένα στα τρισεκατομμύρια. Αυτό καθιστά την ανίχνευση εξαιρετικά δύσκολη και μέχρι τώρα απαιτούσε μεγάλα και ακριβά μηχανήματα.
Μια ομάδα επιστημόνων του UChicago επιχείρησε να λύσει αυτό το πρόβλημα βρίσκοντας έναν τρόπο να μετατρέψει τον αέρα σε υγρό, κάνοντας πιο εύκολη την ανάγνωση.
Μικροσκοπικές ακίδες πυριτίου
Οι επιστήμονες σχεδίασαν μια επιφάνεια με μικροσκοπικές ακίδες από πυρίτιο που βοηθούν στη δημιουργία σταγονιδίων μέσα στη συσκευή για ανάγνωση. Κάθε ακίδα (όπως φαίνεται σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο) έχει περίπου το 1/200 του πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας.
Η ομάδα δημιούργησε ένα πολυμερές σύστημα. Πρώτα, μια αντλία ρουφάει τον αέρα για την ανάλυση. Έπειτα, ένας υγραντήρας προσθέτει υδρατμούς και ένα μικροσκοπικό σύστημα ψύξης μειώνει τη θερμοκρασία. Αυτό προκαλεί την συμπύκνωση του αέρα σε σταγόνες – με τα σχετικά σωματίδια να αιωρούνται μέσα τους. Οι σταγόνες γλιστρούν πάνω σε μια ειδικά σχεδιασμένη εξαιρετικά λεία επιφάνεια και συλλέγονται σε μια μικρή δεξαμενή.
Από εκεί, ανιχνευτές μπορούν εύκολα να εντοπίσουν τις συγκεντρώσεις μορίων στο υγρό, χρησιμοποιώντας υπάρχοντα και διαθέσιμα εργαλεία για ανίχνευση υγρών.
Καθώς συναρμολογούσαν τη συσκευή, δεν ήταν σίγουροι αν θα μπορούσαν να αιχμαλωτίσουν κάποιους τύπους μορίων που εξατμίζονται εύκολα, γνωστά ως «ευμετάβλητα» μόρια.
Για μια πρώτη απόδειξη, ο Ma χρησιμοποίησε ένα φλιτζάνι καφέ ως δοκιμή. Φύσηξε έναν ατμό καφέ στο σύστημα για να δει αν μπορούσε να συλλεχθεί και να ανιχνευθεί. Όταν το υγρό συμπυκνώθηκε, δεν χρειαζόταν καν να κάνει τεστ για να καταλάβει ότι είχε δουλέψει — το χαρακτηριστικό άρωμα καφέ αναδύθηκε από το υγρό.
Σε περαιτέρω δοκιμές, διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να ανιχνεύσουν με επιτυχία τα επίπεδα γλυκόζης από την αναπνοή, να εντοπίσουν το βακτήριο E. coli που αιωρείται στον αέρα και να συλλέξουν δείκτες φλεγμονής από κλουβιά ποντικών με κακή υγεία μικροβιώματος εντέρου.
Ονόμασαν το σύστημα ABLE, από το Airborne Biomarker Localization Engine.
Νέες δυνατότητες
Η αρχική έμπνευση για τη μελέτη, είπε ο Tian, ήταν μια επίσκεψή του πριν χρόνια στη Μονάδα Εντατικής Θεραπείας Νεογνών Stephen Family στο Παιδιατρικό Νοσοκομείο Comer του UChicago, στο πλαίσιο της συνεργασίας του με το Κέντρο Επιστήμης των Πρώιμων Διαδρομών. Η ιδρύτρια του κέντρου, η καθηγήτρια Erika Claud, ήθελε έναν τρόπο να κάνει εξετάσεις στους μικρούς ασθενείς της χωρίς αιμοληψίες ή άλλες επεμβατικές μεθόδους.
Η Claud, που είναι επικεφαλής νεογνολογίας και καθηγήτρια στο Τμήμα Παιδιατρικής, ελπίζει πλέον να χρησιμοποιήσει αυτήν την τεχνολογία.
«Τα πρόωρα βρέφη είναι μερικοί από τους πιο ευάλωτους και εύθραυστους ασθενείς που φροντίζουμε στην ιατρική», είπε.
«Η υπόσχεση αυτής της τεχνολογίας είναι ότι θα μπορούμε να παρακολουθούμε μη επεμβατικά νεοανακαλυφθέντες βιοδείκτες, για να βελτιστοποιούμε τη φροντίδα αυτών των βρεφών».
Οι ερευνητές φαντάζονται επίσης πολλές άλλες χρήσεις. Υπάρχει όμως μια πρόκληση – η ικανότητα ανίχνευσης μορίων που αιωρούνται στον αέρα είναι τόσο καινούρια που οι επιστήμονες ακόμη δεν γνωρίζουν ποια μόρια πρέπει να ψάξουν.
Για παράδειγμα, η ομάδα συνεργάζεται τώρα με γιατρό που θεραπεύει φλεγμονώδη νόσο του εντέρου. Πιθανόν να μπορούσαν να ανιχνεύσουν δείκτες φλεγμονής από την αναπνοή ασθενών με IBD, αλλά πρώτα πρέπει να καταγραφούν.
Η ομάδα θέλει επίσης να βελτιώσει τον σχεδιασμό και να τη μικρύνει ακόμη περισσότερο ώστε να γίνει φορητή.
Τέλος, ο Ma, μηχανολόγος μηχανικός με υπόβαθρο στη θερμορευστομηχανική, ενθουσιάζεται για τις επιπτώσεις αυτής της τεχνολογίας στην αποκάλυψη νέων αρχών φυσικής.
Αναφορά: «Μηχανή εντοπισμού αερομεταφερόμενων βιοδεικτών για ανίχνευση σημείων φροντίδας σε ανοιχτό χώρο» από τους Jingcheng Ma, Megan Laune, Pengju Li, Jing Lu, Jiping Yue, Yueyue Yu, Yamin Mansur, Amio PD Ritwik, Sai P. Peri, Jessica Cleary, Kaitlyn Oliphant, Zachary Kessler, Erika C. Claud και Bozhi Tian, 21 Μαΐου 2025, Nature Chemical Engineering .
DOI: 10.1038/s44286-025-00223-9
