Isang Pagsulong sa Medikal na Pagsubaybay: Susunod na Henerasyon ng Medikal na Pagpapatatag gamit ang Nanoparticle-Based na Wearable Biosensors

Sa harap ng tumatandang populasyon, mga chronic disease, at lumalaking populasyon, ang sistemang pangkalusugan ay dumadaan sa isang mahalagang pagbabago.

Ang pangangalagang pangkalusugan ay nagiging mas nakasentro sa indibidwal. Ang trend na ito ay pinapalakas ng mga wearable device, na nagbibigay-daan sa patuloy na pagsukat ng mahahalagang biomarker para sa medikal na diagnostic, pagsubaybay sa kalagayan ng sakit, kalusugan, at kapaligiran, at pagsusuri ng mga likidong biyolohikal tulad ng pawis, laway, luha, at dugo.

Ang mga wearable device na ito ay mga portable na elektronikong aparato na gumagamit ng mga sensor upang mangolekta ng real-time na datos tungkol sa iba’t ibang pisyolohikal na parameter, na nagbibigay-daan sa patuloy na pagsubaybay ng antas ng aktibidad at kalusugan.

Higit sa lahat, ang mga biosensor na ito ay tumutulong sa mga karaniwang indibidwal na subaybayan ang kanilang sariling kalusugan mula saan man at anumang oras. Lalo na, ang mga aparatong ito ay makakatulong sa mga pasyenteng may chronic disease na bawasan ang bilang ng pag-ospital at makatipid sa gastos. Sa pangkalahatan, mas mapapamahalaan ng mga tao ang kanilang buhay at kalusugan gamit ang mga wearable device.

Samantala, ang mga doktor ay maaaring maagap na matukoy ang mga posibleng isyu sa kalusugan, agad na tumugon, at magbigay ng personalized na plano sa pangangalaga, habang ang mga ospital ay makakatipid sa gastusin sa kagamitan.

Depende sa mga sinusukat na parameter, ang mga wearable biosensor ay maaaring iba’t ibang uri, tulad ng optical, electrochemical, electromechanical, chemical, at optoelectronic sensors. Ang mga aparatong ito ay maaaring isuot sa katawan ng tao o i-implant sa loob nito upang subaybayan ang mga biyolohikal na signal sa pamamagitan ng non-invasive na pagsukat ng mga biochemical marker.

Sa usapin ng disenyo o gamit, ang mga wearable device ay maaaring iklasipika sa ilang magkaibang paraan.

Una, ang wrist-mounted wearable devices (WWD), tulad ng pangalan, ay karaniwang isinusuot sa pulso. Ang mga smartwatch o fitness band ay mga halimbawa ng mga wearable na ito, na nag-evolve mula sa simpleng accelerometer-based hanggang sa kasalukuyang may kasamang biometric sensing na ginagamit bilang non-invasive na aparato para sa pagsubaybay sa tao.

Ang mga wristband, partikular, ay dinisenyo upang subaybayan ang kalusugan at mga aktibidad sa fitness ng tao. May limitadong tampok ito at kung minsan ay wala pang display screen para sa mga notification. Ang Fitbit, Amazon (AMZN ) Halo Band, at Huawei Talkband B3 ay mga kilalang halimbawa.

Ang mga wristwatch o smartwatch ay isa sa mga pinakapopular na uri ng wearable device, na sumusubaybay sa tiyak na pisyolohikal na signal at biomechanics ng tao. Gumagamit ito ng mga sensor at baterya upang kolektahin ang impormasyon at ilipat ito sa smartphone para sa analytics at pagbasa. Ilan sa mga kilalang halimbawa ng smartwatch ay ang Apple Watch, Samsung Galaxy Watch, at Garmin Fenix. Pinapayagan nila ang pagsubaybay sa mga metric tulad ng ECG, blood oxygen, SpO2, stress, pagtulog, at heart rate, at iba pa.

Pagkatapos, may mga patch para sa real-time na pagsusuri ng mga likidong katawan tulad ng pawis at temperatura. Kabilang dito ang glucose monitoring patches na Abbott FreeStyle Libre at Dexcom G7, Gatorade Gx Sweat Patch para suriin ang komposisyon ng pawis at magbigay ng rekomendasyon sa hydration, at TempTraq para sa patuloy na pagsubaybay ng temperatura.

Bukod sa mga kamay, ang ulo ay isa pang bahagi ng katawan kung saan isinusuot ang mga aparatong ito. Ang mga head-mounted na kagamitan tulad ng helmet, salamin, at caps ay mga visual na aparato na nag-aalok ng hands-free na kakayahan.

Sa usapin ng smart glasses, nakita natin ang mga tulad ng Ray-Ban Meta Smart Glasses, Vuzix Blade & Vuzix Shield, Rokid Max, at Xreal na nag-aalok ng built-in na kamera, speaker, streaming, AI, at iba pang tampok para sa industriyal, medikal, computing, enterprise, at gaming na larangan.

Maging ang mga smart helmet ay sumisikat hindi lamang bilang proteksiyon na headgear kundi pati na rin upang magbigay ng matalinong serbisyo sa pamamagitan ng integrasyon sa electronic sensing, alerting, at communication devices. Ang mga helmet ay iniimbestigahan din para gamutin ang depresyon sa pamamagitan ng pagpapadala ng mahina na electrical pulse sa utak.

Smart clothing o E-Textiles ay isa pang uri ng wearable na gumagamit ng matalinong materyales na tumutugon sa mekanikal, termal, at kemikal na pagbabago. Ang E-textiles ay maaari ring makadama ng panlabas na stimuli mula sa kapaligiran.

Sa larangan ng E-textiles, mayroon tayong Hexoskin smart shirts na sumusubaybay sa heart rate, breathing rate, at galaw para sa mga atleta at medikal na gamit. Ang mga washable na kasuotan na ito ay nagbibigay ng patuloy na datos sa cardiac, pulmonary, aktibidad, pagtulog, ulat ng electrocardiograph, at respiratory ventilation. Ang Hexoskin ay nag-aalok ng non-invasive at komportableng smart clothing para sa lalaki, babae, at bata, na may karagdagang anti-odor at UV protection na tampok. Pagdating sa teknolohiya, nag-aalok sila ng hanggang 36+ oras na battery life, higit sa 100 araw ng pagre-record, at Bluetooth connectivity.

Bukod sa mga shirt, ang mga medyas, sleepwear, jacket, at sapatos ay nagiging matalino. Kaya, ang mundo ng wearable device ay malinaw na mabilis na lumalago habang mas pinahahalagahan ng mga tao ang kanilang kalusugan at kagalingan. Ang paglago na ito ay higit pang pinapalakas ng kadalian ng real-time na pag-access ng datos, pag-unlad sa sensor technology, at lumalawak na aplikasyon sa pangangalagang pangkalusugan.

Printable Nanoparticles para sa Wearable Biosensors

Habang pinapangunahan ng mga wearable biosensor ang mga bagong hangganan sa precision medicine, nakabuo ang mga mananaliksik mula sa Caltech ng isang teknik na nagpapahintulot sa mass production ng matagalang wearable sweat sensor.

Sa teknolohiyang ito, na gumagamit ng inkjet printing ng mga array ng espesyal na nanoparticle, layunin ng pananaliksik na tugunan ang mga hamon ng scalability ng produksyon, operational instability, at limitadong bilang ng mga detectable na target na humahadlang sa malawakang pag-aampon ng mga wearable at implantable biosensor.

Ang printable core-shell nanoparticles ay may built-in na dual functionality — isang molecularly imprinted polymer shell upang kilalanin ang isang tiyak na target at isang core na nickel hexacyanoferrate (NiHCF) upang patatagin ang electrochemical transduction.

Sa pamamagitan ng paggamit ng optimized na nanoparticle ink formulation sa inkjet printing, ipinakita ng mga inhinyero ng Caltech ang posibilidad ng mass production ng flexible at matibay na biosensor na maaaring patuloy na subaybayan ang malawak na spectrum ng mga biomarker. Kabilang dito ang mga gamot, bitamina, amino acid, at metabolites.

Ipinakita pa ng koponan ang bisa ng mga biomarker na ito sa wearable metabolic monitoring ng creatinine, tryptophan, at vitamin C sa mga indibidwal na nagdurusa mula sa pangmatagalang COVID-19.

Ginamit din nila nang matagumpay ang mga bagong nanoparticle at napatunayan ang gamit ng mga biomarker sa therapeutic drug monitoring para sa mga pasyenteng may kanser pati na rin sa mouse model sa pamamagitan ng pagbibigay ng real-time na pagsusuri ng mga immunosuppressant tulad ng mycophenolic acid, cyclophosphamide, at busulfan.

Ngunit hindi ito lahat ng posible sa teknolohiyang ito.

“Maraming chronic condition at ang kanilang mga biomarker na ngayon ay nagbibigay sa atin ng posibilidad na subaybayan nang tuloy-tuloy at noninvasively.”

– Wei Gao, corresponding author at propesor ng medical engineering sa Andrew and Peggy Cherng Department of Medical Engineering sa Caltech

Ayon sa paper published¹ sa journal Nature Materials na naglalarawan ng teknik, ang mga nanoparticle cube ay nabubuo sa isang solusyon na naglalaman ng tiyak na molekula, tulad ng vitamin C, na nais subaybayan ng mga mananaliksik.

Ang target na molekula ay pagkatapos nakukulong sa loob ng cubic nanoparticle habang ang mga monomer ay kusang nag-aassemble upang bumuo ng polymer. Isang solvent ang susunod na ginagamit upang alisin ang mga target na molekula, partikular na iniiwan ang molecularly imprinted polymer shell.

Ang shell na ito ay may mga butas na may hugis na eksaktong tumutugma sa target na molekula, katulad ng kung paano ang mga artipisyal na antibody ay selektibong kinikilala ang hugis ng tiyak na mga molekula.

Kapansin-pansin, pinagsama ng mga mananaliksik sa bagong pag-aaral ang mga espesyal na polymer na ito sa isang nanoparticle core na gawa sa kemikal na compound na NiHCF. Ang compound ay kilala sa mga natatanging katangian nito, kabilang ang mahusay na electrical conductivity, mataas na thermal stability, kakayahang sumailalim sa reversible redox reactions, at magnetic behavior. Ang mga katangiang ito ay ginagawang promising material ang NiHCF para sa magnetic storage media, katalisis, at electrochemical energy storage devices tulad ng mga baterya, pati na rin sa mga sensor at biosensor.

Higit pa rito, ang NiHCF ay maaari ring ma-oxidize sa ilalim ng applied electrical voltage kapag nakontak nito ang mga bodily fluid tulad ng pawis.

Sa pag-aaral na ito, ang likido ay makakakontak sa NiHCF core lamang kung ang mga butas na hugis ng target na molekula ay walang laman, na magbubuo ng electrical signal.

Gayunpaman, kapag nakatagpo ng mga molekula ang polymer, sila ay sumaslide papunta sa mga butas. Pinipigilan nito ang mga bodily fluid tulad ng pawis na makontak ang core, na nagreresulta sa pagpapahina ng electrical signal. Kaya, ang lakas ng electrical signal ay nagpapakita kung gaano karami ang target na molekula, tulad ng vitamin C, na naroroon. Ipinaliwanag ni Gao:

“Ang core na ito ay kritikal. Ang nickel hexacyanoferrate core ay napaka-stable, kahit sa mga biological fluid, na ginagawa ang mga sensor na ito na perpekto para sa pangmatagalang pagsukat.”

Ang mga core-shell nanoparticle na nilikha ay napaka-flexible. Ginagamit ang mga ito upang mag-print ng sensor array na nagkakalkula ng dami ng hormones, amino acids, gamot, o metabolites sa pawis o bodily fluid gamit lamang ang maraming nanoparticle “ink” sa isang array.

Halimbawa, nag-print din ang mga mananaliksik ng mga nanoparticle na kumakapit sa creatinine, ang karaniwang ginagamit na biomarker, upang suriin kung gaano kahusay ang paggana ng mga bato. Pinagsama ng koponan ang mga nanoparticle na ito, kasama ang mga kumakapit sa Vitamin C at sa tryptophan, sa isang sensor, na pagkatapos ay mass-produced upang pag-aralan ang mga pasyenteng may long COVID.

Ang mga nanoparticle-based na wearable sensor ay na-print din para sa tatlong tiyak ngunit magkaibang anticancer drug sa mga indibidwal na sensor na sinubok ng mga mananaliksik sa cancer research at treatment center sa City of Hope.

Ayon kay Gao, na isa ring Ronald at JoAnne Willens Scholar at isang Heritage Medical Research Institute Investigator:

“Sa pagpapakita ng potensyal ng teknolohiyang ito, nagawa naming remote na subaybayan ang dami ng cancer drug sa katawan anumang oras.”

Hindi lamang nito tinuturo ang paraan upang makamit ang dose personalization para sa kanser kundi pati na rin para sa maraming iba pang kondisyon, dagdag pa niya.

Bukod pa rito, ipinakita ng koponan na ang mga nanoparticle ay maaaring gamitin upang mag-print ng mga sensor na maaaring i-implant sa ilalim ng balat upang tumpak na subaybayan ang antas ng gamot sa katawan.

I-click dito upang malaman kung paano umuunlad ang innovative healthtech sa pamamagitan ng advanced wearables.

Kumpanyang Nangunguna sa Wearable Tech

Ngayon, tingnan natin ang pinaka-kilalang pangalan sa sektor ng wearable technology na patuloy na gumagawa ng mga pag-unlad.

1. Apple

Ang pinakamalaking kumpanya sa mundo batay sa market cap na $3.63 trilyon, ang Apple (AAPL ) ay may kasalukuyang presyo ng shares na $241.53, bumaba ng 3.55% YTD. Ang EPS (TTM) nito ay 6.96, at ang P/E (TTM) ratio ay 34.69. Ang dividend yield na binabayaran ng Apple ay 0.41%.

Sumali ang Apple sa wearable sector mahigit isang dekada na ang nakalilipas sa pamamagitan ng paglulunsad ng Apple Watch Series 0, ang una sa linya. Bagaman ang smartwatch sector ay abala na noon, nagawa pa rin ng Apple na maitatag ang presensya nito kahit na huli ang pagpasok.

Sa paglipas ng mga taon, nagawang makuha ng Apple ang malaking bahagi ng pamilihang ito, ngunit sa mga nagdaang taon, nakaranas ito ng pagbaba. Noong 2020, ang market share nito ay higit sa 34%, na bumaba sa halos 30% noong sumunod na taon.

Ayon sa IDC, ang market share ng Apple mula Q1 hanggang Q3 ng 2024 ay 16.2% habang nag-record ito ng 22.5 milyong shipments, na bumaba mula 18.4% sa parehong panahon noong nakaraang taon. Dahil dito, ang Apple ay nasa ikalawang pwesto habang nalalampasan ito ng Huawei na may 23.6 milyong shipments at 16.9% market share. Ang dalawa ay sinusundan ng Xiaomi, Samsung, at BBK. Kaya, bagaman nananatiling malakas ang presensya ng Apple, ngayon ay humaharap ito sa matinding kompetisyon.

Sa gitna ng lahat ng ito, patuloy na pinapaunlad ng Apple ang kanyang wearable technology, ngayon ay pinalalawak ang ambisyon sa health research upang gamitin ang mga device nito sa isang pag-aaral na susubaybayan ang mga pagbabago sa kalusugan ng mga kalahok. Layunin ng kumpanya na samantalahin ang mga device at app na araw-araw na ginagamit ng mga tao upang suriin ang ugnayan ng mental at pisikal na kalusugan pati na rin ang mga social determinant at kung paano ito nakakaapekto sa kabuuang kagalingan ng isang tao.

Ito ay upang matulungan silang tuklasin ang mga signal sa datos ng kalusugan ng isang tao upang potensyal na matukoy ang isang kondisyon. Ang Apple Health Study ay ilalabas sa Research app, na nakatulong sa koponan na makakuha ng “mahahalagang insight” upang bumuo ng mga bagong tool tulad ng Walking Steadiness sa iPhone at ang Vitals app sa Apple Watch.

Noong nakaraang taon, sinimulan din ng kumpanya ang pag-explore ng ideya ng pag-develop ng mga bagong wearable device tulad ng smart glasses, fitness ring, at kahit AirPods na may kamera.

Isang smart ring na isuot sa daliri ay unang inirekomenda ng design group ilang taon na ang nakalilipas na magdadala ng health-tracking features mula sa Apple Watch, ngunit kamakailan lamang, tinalakay ng mga inhinyero ang posibilidad ng smart glasses na maaaring magbigay ng audio, gumamit ng kamera at AI upang kilalanin ang mga bagay, at sa huli magsilbing tulay para sa ambisyon ng Apple na lumikha ng tunay na AR glasses na maaaring isuot buong araw.

Ang kumpanya ay masigasig ding nagtrabaho sa AirPods earbuds, Vision Pro headset, Beats headphones, HomePod speaker, at Apple Watch upang palakasin ang negosyo ng wearable device.

Kagiliw-giliw, nag-patent ang Apple ng bagong smartwatch technology na maaaring magbigay-daan sa blood pressure monitoring sa Apple Watch nang hindi umaasa sa optical sensors. Sa ngayon, ang Apple Watch ay nag-aalok ng mga makapangyarihang app tulad ng heart rate at irregular rhythm notifications, AFib history, ECG app, low cardio fitness notifications, blood oxygen level, at fall detection upang tulungan ang mga tao na mamuhay nang malusog.

Ngunit hindi ito lahat. Ang AirPods Pro 2 earbuds ng Apple ay nag-aalok pa ng functionality ng over-the-counter hearing aids. Bagaman napakakumpleto ng hearing test, ito ay angkop para sa mga taong may bahagyang hanggang katamtamang pagkawala ng pandinig.

Ngayon, ang kalusugan pinansyal ng kumpanya — kamakailan lamang iniulat ng Apple ang mga resulta pinansyal para sa fiscal 2025 Q1 na nagtapos noong Disyembre 28, 2024. Sa tinaguriang “pinakamagandang quarter kailanman,” nagkaroon ang Apple ng $124.3 bilyong kita at diluted earnings per share na $2.40, tumaas ng 4% at 10% YoY ayon sa pagkakabanggit.

Ang kita ay kinabibilangan ng $69.14 bilyon mula sa iPhones, $8.99 bilyon mula sa Mac products, $8.09 bilyon mula sa iPads, at $11.75 bilyon mula sa iba pang produkto, na tinatawag ding Wearables, na kinabibilangan ng Apple Watch, AirPods, Beats, at Vision Pro sales. Ang kategoryang wearables ay nakaranas ng pagbaba ng 2% kumpara sa nakaraang taon.

Samantala, $26.34 bilyon ang ginastos sa services, na kinabibilangan ng subscriptions, warranties, at licensing deals. Sa earnings call, sinabi ng CEO Tim Cook na ang kumpanya ay may higit sa isang bilyong subscriptions. Kabilang dito ang subscriptions para sa mga serbisyo tulad ng Apple TV+ at iCloud at subscriptions sa third-party apps sa pamamagitan ng App Store.

Ang matatag na operating margins ng kumpanya ay nagdala rin ng EPS nito sa bagong all-time high na may double-digit growth, na nagbigay-daan sa tech giant na ibalik ang higit sa $30 bilyon sa mga shareholders, kung saan idineklara ng board of directors ang cash dividend na $0.25 kada share.

Ang installed base ng Apple ng mga aktibong device ay umabot din sa bagong taas sa lahat ng produkto at geographic segment. Gayunpaman, ang benta ng mga device nito ay bumaba ng 11.1% sa China. Ang benta ng iPhone ay mas malakas sa mga rehiyon kung saan available ang Apple Intelligence, ayon kay Cook.

“Sa pamamagitan ng kapangyarihan ng Apple silicon, binubuksan namin ang mga bagong posibilidad para sa aming mga gumagamit gamit ang Apple Intelligence, na nagpapabuti pa sa mga app at karanasan at nagiging mas personal.”

– Cook

Kaya, ang Apple ay ngayon nakikipagtulungan sa Alibaba at Baidu upang dalhin ang AI features sa mga iPhone nito sa China sa kalagitnaan ng taong ito.

Konklusyon

Ang personalization ng pangangalagang pangkalusugan ay ang hinaharap ng medisina. Ito, sa huli, ay maaaring mapabuti ang mga resulta ng pasyente, mabawasan ang pasanin ng sakit, at mapababa ang gastusin sa pangangalaga, ngunit siyempre, nangangahulugan ito ng eksaktong pag-alam kung ano ang kailangan at pagkatapos ay paghahatid ng tamang kombinasyon ng mga gamot, nutrisyon, at metabolites.

Para dito, kailangan muna natin ng paraan upang patuloy na sukatin at subaybayan ang ilang biomarker ng kalusugan, kung saan ang wearable technology ay maaaring magbigay ng malaking tulong, tulad ng ipinakita ng bagong pag-aaral.

Sa pamamagitan ng pag-develop ng printable core-shell nanoparticles, nakagawa ang mga mananaliksik ng malaking hakbang patungo sa mass production ng matagalang, wearable biosensor. Ang pagiging versatile ng mga sensor na ito, mula sa pagsubaybay ng chronic condition hanggang sa personalization ng dosage ng gamot para sa mga pasyenteng may kanser, ay nagbubukas ng mga bagong pintuan sa precision medicine.

Ang ganitong mga pag-unlad sa teknolohiya ay maaaring magbigay sa parehong pasyente at mga tagapagbigay ng pangangalaga ng patuloy at indibidwal na insight sa kalusugan at dalhin tayo nang mas malapit sa hinaharap kung saan ang personalized, data-driven na pamamahala ng kalusugan ay walang putol na nakapaloob sa ating pang-araw-araw na buhay!

I-click dito para sa listahan ng mga nangungunang kumpanya ng wearable health tracking.