Läpimurto lääketieteellisessä seurannassa: Seuraavan sukupolven lääketieteellinen vakauttaminen nanopartikkeli-pohjaisilla kannettavilla biosensoreilla

Ikääntymisen, kroonisten sairauksien ja kasvavan väestön taustalla terveydenhuoltojärjestelmä käy läpi merkittävän muutoksen.

Terveydenhuolto muuttuu yhä yksilökeskeisemmäksi. Tätä trendiä ohjaavat kannettavat laitteet, jotka mahdollistavat kriittisten biomarkkereiden jatkuvan mittaamisen lääketieteellisessä diagnostiikassa, sairauden tilan, terveyden ja ympäristön seurannassa sekä biologisten nesteiden, kuten hien, syljen, kyyneleiden ja veren, arvioinnissa.

Nämä kannettavat laitteet ovat kannettavia elektronisia laitteita, jotka käyttävät antureita kerätäkseen reaaliaikaista dataa eri fysiologisista parametreista, mikä puolestaan mahdollistaa aktiivisuustasojen ja terveyden jatkuvan seurannan.

Entistä tärkeämpää on, että nämä biosensorit auttavat tavallisia ihmisiä seuraamaan omaa terveyttään mistä tahansa ja milloin tahansa. Erityisesti nämä laitteet voivat auttaa kroonisia sairauksia sairastavia potilaita vähentämään sairaalahoidon määrää ja säästämään kustannuksia. Kaiken kaikkiaan ihmiset voivat hallita elämäänsä ja terveyttään paremmin kannettavien laitteiden avulla.

Samaan aikaan lääkärit voivat havaita mahdolliset terveysongelmat ajoissa, reagoida välittömästi ja tarjota henkilökohtaisia hoitosuunnitelmia, kun taas sairaalat voivat säästää laitekustannuksissa.

Mittausparametreista riippuen kannettavat biosensorit voivat olla erilaisia, kuten optisia, elektrokemiallisia, elektromekaanisia, kemiallisia ja optoelektronisia antureita. Näitä laitteita voidaan käyttää ihmisen kehon pinnalla tai implantoida sisälle biologisten signaalien seuraamiseksi tekemällä ei-invasiivisia mittauksia biokemiallisista merkkeistä.

Suunnittelun tai käyttötarkoituksen osalta kannettavat laitteet voidaan luokitella muutamaan eri tapaan.

Aluksi ranteeseen kiinnitetyt kannettavat laitteet (WWD) ovat nimensä mukaisesti yleensä ranteessa käytettäviä. Älykellot tai kuntoiluvyöt ovat esimerkkejä näistä laitteista, jotka ovat kehittyneet peruskiihtyvyysantureista sisältämään biometrisiä antureita, joita käytetään ei-invasiivisina ihmisen seurantalaiteina.

Rannekkeet on erityisesti suunniteltu seuraamaan ihmisen terveyttä ja kuntoilutoimintaa. Niissä on melko rajoitetut ominaisuudet, eikä niissä joskus ole edes näyttöruutua ilmoituksia varten. Suosittuja esimerkkejä ovat Fitbit, Amazon (AMZN ) Halo Band ja Huawei Talkband B3.

Rannekellot tai älykellot ovat yksi suosituimmista kannettavien laitteiden tyypeistä, jotka seuraavat tiettyjä ihmisen fysiologisia signaaleja ja biomekaniikkaa. Ne käyttävät antureita ja akkuja tiedon keräämiseen ja siirtämiseen älypuhelimeen analytiikkaa ja luettavuutta varten. Suosittuja älykelloja ovat Apple Watch, Samsung Galaxy Watch ja Garmin Fenix. Ne mahdollistavat mittareiden, kuten EKG:n, veren happisaturaation, SpO2:n, stressin, unen ja sykkeen, seurannan.

Sen jälkeen on laastareita, jotka mahdollistavat kehon nesteiden, kuten hien ja lämpötilan, reaaliaikaisen analyysin. Näihin kuuluvat glukoosin seurantalaastarit Abbott FreeStyle Libre ja Dexcom G7, Gatorade Gx Sweat Patch, joka analysoi hien koostumusta ja antaa nesteytyssuosituksia, sekä TempTraq jatkuvaan lämpötilan seurantaan.

Käsien lisäksi pää on toinen kehonosa, jossa näitä laitteita käytetään. Pään päällä olevat välineet, kuten kypärät, lasit ja hatut, ovat visuaalisia laitteita, jotka tarjoavat kädet vapauttavan toiminnallisuuden.

Kun puhutaan älylaseista, olemme nähneet esimerkiksi Ray-Ban Meta Smart Glasses, Vuzix Blade & Vuzix Shield, Rokid Max ja Xreal, jotka tarjoavat sisäänrakennettuja kameroita, kaiuttimia, suoratoistoa, tekoälyä ja muita ominaisuuksia teollisuuden, lääketieteen, tietojenkäsittelyn, yritysmaailman ja pelialan tarpeisiin.

Myös älykypärät saavat jalansijaa, eivät pelkästään suojavarusteina, vaan myös älykkäiden palveluiden tarjoajina integroituna elektronisiin antureihin, hälytyksiin ja viestintälaitteisiin. Kypäröitä tutkitaan myös masennuksen hoitamiseen heikkojen sähköpulssejen välittämisen avulla aivoihin.

Älyvaatteet tai e-tekstiilit ovat vielä yksi kannettava, joka käyttää älymateriaaleja, jotka reagoivat mekaanisiin, lämpötilaan ja kemiallisiin muutoksiin. E-tekstiilit voivat myös havaita ulkoisia ärsykkeitä ympäristöstä.

E-tekstiilien alalla meillä on Hexoskin-älypaidat, jotka seuraavat sykettä, hengitysnopeutta ja liikettä urheilijoille ja lääketieteelliseen käyttöön. Nämä pestävät vaatteet tarjoavat jatkuvaa sydän-, keuhko-, aktiivisuus- ja unidataa, elektrokardiografiaraportointia sekä hengitysventilausta. Hexoskin tarjoaa ei-invasiivista ja mukavaa älyvaatetta miehille, naisille ja lapsille, lisäominaisuuksina hajunsuoja ja UV-suojaus. Teknologian osalta ne tarjoavat yli 36 tunnin akunkeston, yli 100 päivän tallennuksen ja Bluetooth-yhteyden.

Paidan lisäksi myös sukat, yövaatteet, takit ja kengät muuttuvat älykkäiksi. Näin ollen kannettavien laitteiden maailma on selvästi nopeasti kasvava, kun ihmiset asettavat yhä enemmän terveyden ja hyvinvoinnin etusijalle. Tämä kasvu saa lisäpotkua reaaliaikaisen datan helppokäyttöisyydestä, anturiteknologian edistymisestä ja laajenevista terveydenhuollon sovelluksista.

Tulostettavat nanopartikkelit kannettaville biosensoreille

Kun kannettavat biosensorit avaavat uusia rajoja tarkkuuslääketieteessä, Caltechin tutkijat ovat kehittäneet tekniikan, joka mahdollistaa pitkäkestoisten kannettavien hikisensorien massatuotannon.

Tämän tekniikan, joka on erityisten nanopartikkeleiden mustesuihkutulostus, avulla tutkimus pyrkii ratkaisemaan tuotannon skaalautuvuuden, toiminnallisen epävakauden ja havaittavien kohteiden rajoitetun määrän haasteet, jotka estävät kannettavien ja implantoitavien biosensorien laajaa käyttöönottoa.

Tulostettavat ydin-kuori nanopartikkelit sisältävät sisäänrakennetun kaksitoiminnallisuuden — molekyylisesti muotoiltu polymeerikuori tunnistamaan tietty kohde ja nikkeli-heksasyanoferriitti (NiHCF) -ydin, joka vakauttaa elektrokemiallista transduktiota.

Hyödyntämällä optimoitua nanopartikkelikynäformulaatiota mustesuihkutulostuksen avulla Caltechin insinöörit osoittivat joustavien ja kestävien biosensorien massatuotannon mahdollisuuden, jotka voivat jatkuvasti seurata laajaa biomarkkerien kirjoa. Tämä sisältää lääkkeet, vitamiinit, aminohapot ja metabolit.

Tiimi osoitti lisäksi näiden biomarkkereiden tehokkuuden kannettavassa aineenvaihdunnan seurannassa kreatiniinia, tryptofaania ja C-vitamiinia koskevissa pitkäaikaista COVID-19:stä kärsivissä henkilöissä.

He käyttivät myös menestyksekkäästi uusia nanopartikkeleita ja vahvistivat biomarkkereiden hyödyllisyyden terapeuttisessa lääkkeiden seurannassa syöpäpotilaille sekä hiirimallissa tarjoamalla reaaliaikaisen analyysin immunosuppressantteja, kuten mykofenolihappoa, syklofosfamidia ja busulfaania, vastaan.

Mutta tämä ei ole kaikki, mitä tekniikalla on mahdollista.

“On monia kroonisia sairauksia ja niiden biomarkkereita, joita nämä anturit antavat meille mahdollisuuden seurata jatkuvasti ja ei-invasiivisesti.”

– Wei Gao, vastaava tekijä ja lääketieteellisen tekniikan professori Andrew ja Peggy Cherng -lääketieteellisen tekniikan osastolla Caltechissa

Paperin mukaan, joka on julkaistu¹ Nature Materials -lehdessä ja kuvaa tekniikkaa, nanopartikkelikuvioita muodostetaan liuoksessa, joka sisältää halutun molekyylin, kuten C-vitamiinin, jota tutkijat haluavat seurata.

Kohdemolekyyli jää sitten kuutio-nanopartikkeleiden sisään, kun monomeerit kokoontuvat spontaanisti muodostaen polymeerin. Seuraavaksi liuotinta käytetään kohdemolekyylien poistamiseen, jolloin jäljelle jää molekyylisesti muotoiltu polymeerikuori.

Tämä kuori on täynnä reikiä, joiden muoto vastaa tarkalleen kohdemolekyylin muotoa, aivan kuten keinotekoiset vasta-aineet tunnistavat valikoivasti vain tiettyjen molekyylien muodot.

Erityisesti uuden tutkimuksen tutkijat yhdistävät erityisesti muodostetut polymeerit nanopartikkelikernellä, joka on valmistettu kemiallisesta yhdisteestä NiHCF. Tämä yhdiste tunnetaan ainutlaatuisista ominaisuuksistaan, joihin kuuluvat hyvä sähkönjohtavuus, korkea lämpöstabiilisuus, kyky käydä läpi käänteisiä redoksireaktioita ja magneettinen käyttäytyminen. Nämä ominaisuudet tekevät NiHCF:stä lupaavan materiaalin magneettisille tallennusvälineille, katalyysille ja elektrokemiallisille energian varastointilaitteille, kuten akuille, sekä antureille ja biosensoreille.

Entistä tärkeämpää on, että NiHCF voidaan myös hapettaa sovelletun sähköjännitteen alaisena, kun se joutuu kosketuksiin kehon nesteiden, kuten hien, kanssa.

Tässä tutkimuksessa neste joutuu kosketuksiin NiHCF-ytimen kanssa vain, jos kohdemolekyylin muotoiset reiät ovat tyhjiä, mikä tuottaa sähköisen signaalin.

Kuitenkin, kun molekyylit kohtaavat polymeerin, ne liukuvat näihin reikiin. Tämä estää kehon nesteitä, kuten hikeä, koskettamasta ydintä, mikä heikentää sähköistä signaalia. Näin ollen signaalin voimakkuus paljastaa, kuinka paljon kohdemolekyyli, kuten C-vitamiini, on läsnä. Gao selitti:

“Tämä ydin on kriittinen. Nikkeli-heksasyanoferriitti-ydin on erittäin vakaa, jopa biologisissa nesteissä, mikä tekee näistä antureista ihanteellisia pitkäaikaiseen mittaukseen.”

Luodut ydin-kuori nanopartikkelit ovat erittäin joustavia. Niitä käytetään anturirakenteiden tulostamiseen, jotka laskemalla hormonien, aminohappojen, lääkkeiden tai metabolien määrän hissä tai kehon nesteissä, käyttämällä useita nanopartikkeli-“musteita” yhdessä rakenteessa.

Esimerkiksi tutkijat tulostivat myös nanopartikkeleita, jotka sitoutuvat kreatiniiniin, yleisesti käytettyyn biomarkkeriin, tarkastellakseen munuaisten toimintaa. Tiimi yhdisti nämä nanopartikkelit, sekä ne, jotka sitoutuvat C-vitamiiniin että tryptofaaniin, yhdeksi anturiksi, joka massatuotettiin pitkäaikaisen COVID-19:n potilaiden tutkimista varten.

Nanopartikkeli-pohjaiset kannettavat sensorit tulostettiin myös kolmelle erityiselle, mutta eri syöpäluovuttajalle omalle anturille, joita tutkijat testasivat City of Hope -syöpätutkimus- ja hoitokeskuksessa.

Gao:n mukaan, joka on myös Ronald ja JoAnne Willens -stipendi ja Heritage Medical Research Institute -tutkija:

“Näyttäen tämän teknologian potentiaalin, pystyimme etäseurantaan kehon syöpä lääkkeiden määrää milloin tahansa.”

Tämä ei ainoastaan osoita tietä annostuksen personointiin syövän hoidossa, vaan myös monissa muissa sairauksissa, hän lisäsi.

Kaiken lisäksi tiimi osoitti, että nanopartikkeleita voidaan käyttää antureiden tulostamiseen, jotka voidaan implantoida suoraan ihon alapuolelle tarkkaan lääkkeiden tasojen seurantaan kehossa.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten innovatiivinen terveyden teknologia on nousussa edistyneiden kannettavien laitteiden avulla.

Yritys, joka johtaa kannettavan teknologian alaa

Katsotaanpa nyt merkittävintä nimeä kannettavan teknologian sektorilla, joka jatkaa edistymistään.

1. Apple

Maailman suurin yritys, jonka markkina-arvo on 3,63 biljoonaa dollaria, Apple (AAPL ), jonka osakkeet tällä hetkellä käyvät 241,53 dollaria, alhaisempi 3,55 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 6,96 ja P/E (TTM) -suhde on 34,69. Applen maksama osinkotuotto on 0,41 %.

Apple liittyi kannettavien laitteiden sektoriin yli vuosikymmen sitten lanseeraamalla Apple Watch Series 0:n, sarjan ensimmäisen mallin. Vaikka älykellojen sektori oli tuolloin jo ruuhkainen, Apple onnistui silti vahvistamaan läsnäolonsa myöhäisen tulonsa jälkeen.

Vuosien varrella Apple on onnistunut saamaan merkittävän osan tästä markkinasta, mutta viime vuosina se on kokenut laskua. Vuonna 2020 sen markkinaosuus oli yli 34 %, mikä laski seuraavana vuonna noin 30 %:iin.

IDC:n mukaan Applen markkinaosuus vuoden 2024 Q1–Q3 välillä oli 16,2 %, kun se rekisteröi 22,5 miljoonaa lähetystä, mikä laski 18,4 %:sta samaan ajanjaksoon viime vuonna. Tämän myötä Apple on nyt toisella sijalla, kun Huawei ohittaa sen 23,6 miljoonalla lähetyksellä ja saavuttaa 16,9 % markkinaosuuden. Näiden kahden jälkeen seuraavat Xiaomi, Samsung ja BBK. Joten vaikka Apple säilyttää vahvan läsnäolon, se kohtaa nyt kovaa kilpailua.

Kaiken tämän keskellä Apple jatkaa työtään kannettavan teknologiansa parissa, laajentaen terveys Tutkimus-ambitioitaan käyttämään laitteitaan tutkimuksessa, jossa seurataan osallistujien terveyden muutoksia. Yritys pyrkii hyödyntämään laitteita ja sovelluksia, joita ihmiset käyttävät päivittäin, arvioidakseen yhteyksiä mielenterveyden ja fyysisen terveyden sekä sosiaalisten tekijöiden välillä ja miten ne vaikuttavat henkilön kokonaisvaltaiseen hyvinvointiin.

Tämä auttaa heitä tunnistamaan signaaleja henkilön terveystiedoista mahdollisen terveysongelman havaitsemiseksi. Apple Health Study -tutkimus julkaistaan Research-sovelluksessa, mikä on auttanut tiimiä saamaan “arvokkaita oivalluksia” uusien työkalujen, kuten Walking Steadiness iPhonessa ja Vitals-sovelluksen Apple Watchissa, kehittämiseen.

Viime vuonna yritys alkoi myös tutkia uusien kannettavien laitteiden, kuten älylasien, kuntoilurenkaan ja jopa kameroilla varustettujen AirPodsien, kehittämistä.

Älykäs sormus, joka pidetään sormessa, suositeltiin alun perin suunnitteluryhmän toimesta muutama vuosi sitten, ja se ottaisi terveysseurannan ominaisuuksia Apple Watchista, mutta viime aikoina insinöörit ovat keskustelleet älylasien mahdollisuudesta, jotka voisivat tarjota ääntä, käyttää kameraa ja tekoälyä tunnistamaan asioita, ja lopulta toimia hyppypöntönä Applen pyrkimykselle luoda todellisia AR-laseja, joita voi käyttää koko päivän.

Yritys on myös työskennellyt ahkerasti AirPods-kuulokkeiden, Vision Pro -kuulokkeen, Beats-kuulokkeiden, HomePod-kaiuttimen ja Apple Watchin parissa vahvistaakseen kannettavien laitteiden liiketoimintaansa.

Mielenkiintoista on, että Apple on patentoitu uusi älykello-teknologia, joka voisi mahdollistaa verenpaineen seurannan Apple Watchissa ilman optisia antureita. Tällä hetkellä Apple Watch tarjoaa tehokkaita sovelluksia, kuten syke- ja epäsäännöllisen rytmin ilmoituksia, AFib-historiaa, EKG-sovelluksen, alhaisen kardiovasteen ilmoituksia, veren happipitoisuuden tason ja kaatumisen tunnistuksen, jotka auttavat ihmisiä elämään terveellisesti.

Mutta tämä ei ole kaikki. Applen AirPods Pro 2 -kuulokkeet tarjoavat jopa apteekissa myytävien kuulolaitteiden toiminnallisuuden. Kuulontesti on vaikuttavan tarkka, ja se soveltuu ihmisille, joilla on vain lievä tai kohtalainen kuulon heikkeneminen.

Nyt yrityksen taloudellinen tila — Apple raportoi äskettäin talousvuoden 2025 Q1 tulokset, jotka päättyivät 28. joulukuuta 2024. Tässä “parhaassa neljänneksessä koskaan” Applella oli 124,3 miljardia dollaria liikevaihtoa ja laimennettu osakekohtainen tulos 2,40 dollaria, mikä on 4 % ja 10 % vuosivertailussa.

Liikevaihto sisälsi 69,14 miljardia dollaria iPhoneista, 8,99 miljardia dollaria Mac-tuotteista, 8,09 miljardia dollaria iPadista ja 11,75 miljardia dollaria muista tuotteista, joita kutsutaan myös Wearables-tuotteiksi, ja jotka sisältävät Apple Watchin, AirPodsin, Beatsin ja Vision Pro -myynnin. Wearables-luokka koki 2 %:n laskun vuosivertailussa.

Samaan aikaan 26,34 miljardia dollaria käytettiin palveluihin, jotka sisälsivät tilauksia, takuita ja lisenssisopimuksia. Tulospuhelussa toimitusjohtaja Tim Cook totesi, että yrityksellä on yli miljardi tilausta. Tämä sisältää tilauksia palveluihin, kuten Apple TV+ ja iCloud, sekä kolmannen osapuolen sovellusten tilauksia App Storesta.

Yrityksen vahvat käyttökatteet nostivat myös sen EPS:n uuteen kaikkien aikojen ennätykseen kaksinumeroisella kasvulla, mikä mahdollisti teknologiayhtiön palauttavan yli 30 miljardia dollaria osakkeenomistajille, ja hallitus julisti 0,25 dollarin käteisosinkoon per osake.

Applen aktiivisten laitteiden asennusperusta saavutti myös uuden ennätyksen kaikissa tuotteissa ja maantieteellisissä segmenteissä. Kuitenkin laitteiden myynti laski 11,1 % Kiinassa. iPhone-myynti oli kuitenkin vahvempaa alueilla, joilla Apple Intelligence on saatavilla, Cook totesi.

“Apple-silikonin voiman avulla avaamme uusia mahdollisuuksia käyttäjille Apple Intelligence -ominaisuuden avulla, mikä tekee sovelluksista ja kokemuksista entistä parempia ja henkilökohtaisempia.”

– Cook

Joten Apple työskentelee nyt Alibaban ja Baidun kanssa tuodakseen AI-ominaisuuksia iPhoneihinsa Kiinassa vuoden puoliväliin mennessä.

Yhteenveto

Terveydenhuollon personointi on lääketieteen tulevaisuus. Tämä voi parantaa potilaiden tuloksia, vähentää tautitaakkaa ja alentaa terveydenhuoltokustannuksia, mutta tietenkin se edellyttää tarkkaa tietoa siitä, mitä tarvitaan, ja oikean lääkkeiden, ravintoaineiden ja metabolien sekoituksen toimittamista.

Tätä varten tarvitsemme ensin tavan mitata ja seurata jatkuvasti tiettyjä terveyden biomarkkereita, missä kannettava teknologia voi olla valtava apu, kuten uusi tutkimus on osoittanut.

Kehittämällä tulostettavia ydin-kuori nanopartikkeleita tutkijat ovat ottaneet merkittävän askeleen kohti pitkäkestoisten, kannettavien biosensorien massatuotantoa. Näiden antureiden monipuolisuus, aina kroonisten sairauksien seurannasta syöpäpotilaiden lääkedosien personointiin, avaa uusia ovia tarkkuuslääketieteessä.

Tällaiset teknologian edistysaskeleet voivat tarjota sekä potilaille että terveydenhuollon tarjoajille jatkuvia ja yksilöllisiä terveysnäkemyksiä ja viedä meitä lähemmäs tulevaisuutta, jossa personoitu, dataohjattu terveydenhallinta on saumattomasti integroitunut päivittäiseen elämäämme!

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista kannettavista terveyden seurantalaitteista.