Biosensor misst Chlorid im Schweiß zur Diagnose von Mukoviszidose

Die Zusammensetzung des Schweißes kann als Frühsystem zur Diagnose von Mukoviszidose dienen. Forschende der Pennsylvania State University entwickeln einen tragbaren Sensor, der den Chloridionengehalt in Echtzeit präzise misst.

Ein Forschungsteam der Penn State University, State College, USA, hat ein tragbares Gerät entwickelt, das in der Lage ist, den Chloridgehalt im Schweiß zuverlässig zu erfassen. Dies ist sowohl für die Beurteilung des Hydratationsstatus als auch für Erkrankungen wie Mukoviszidose von großer Bedeutung. Der Sensor ermöglicht ein Echtzeit-Monitoring des Schweißes während körperlicher Belastung. Grundlage ist ein Hydrogel-basiertes Design, das eine besonders hohe Empfindlichkeit, Genauigkeit und Effizienz erlaubt und dabei wiederverwendbar ist. Die Ergebnisse wurden in „Biosensors and Bioelectronics“ veröffentlicht.

Grenzen bisheriger Messmethoden überwinden

„Das traditionelle Verfahren zur Messung der Chloridionenkonzentration erfordert den Gang ins Krankenhaus. Das ist zeitintensiv und kostenaufwendig“, erklärte Wanqing Zhang, Mitautorin der Publikation. „Die von uns entwickelten tragbaren Sensoren analysieren Schweiß direkt am Körper und erfassen den Chloridionengehalt in Echtzeit. Dies liefert umfassende Daten zu Gesundheitszustand und Flüssigkeitshaushalt einer Person und erlaubt im Speziellen, die erhöhten Chloridwerte zu erkennen, die typisch für Mukoviszidose sind.“

Tragbare Sensortechnologien sind nicht neu. Mehrere Schweiß-Analysevorrichtungen wurden bereits an der Penn State entwickelt. Allerdings weisen bestehende Systeme zentrale Schwächen auf. Farbmetrische Schweißsensoren, die über eine Farbänderung eine chemische Reaktion anzeigen, liefern keine reversiblen Messwerte: Nach dem Nachweis hoher Chloridkonzentrationen ist keine Rückkehr zu einem neutralen Status möglich, was die Anwendung auf eine einzige Messung limitiert. Potentiometrische Schweißsensoren hingegen messen das Potenzialgefälle zwischen zwei Elektroden und ermöglichen kontinuierliches Monitoring, weisen jedoch eine geringe Empfindlichkeit auf und erfordern kostenintensive ionenselektive Membranen.

Leerlaufspannung erlaubt präzise Quantifizierung

Das neue Sensorkonzept des Penn-State-Teams kombiniert verschiedene Hydrogele – wasserreiche, gelartige Polymere – und adressiert damit die genannten Defizite. Der Sensor enthält eine Schweißkammer, ein kationenselektives Hydrogel (CH) mit mobilen Kationen sowie ein hochsalines Hydrogel (HH) mit hoher Salzkonzentration. Gelangt Schweiß in die Kammer, bewirkt der Konzentrationsunterschied, dass mobile Kationen vom HH in Richtung der Schweißkammer wandern. Dadurch entsteht eine offene Leerlaufspannung (open circuit voltage, OCV) zwischen beiden Seiten. Diese Spannung korreliert mit der im Schweiß enthaltenen Chloridmenge und erlaubt deren präzise Quantifizierung.

„Mit bisherigen Sensordesigns war es extrem schwierig, kleinste Schwankungen im Chloridspiegel zuverlässig zu erfassen“, erklärte der korrespondierende Autor der Studie Dr. Huanyu Cheng. „Durch die Kombination zweier Hydrogel-Typen in unserem Aufbau gelingt es, Veränderungen der OCV in Echtzeit zu erfassen. So lassen sich Chloridfluktuationen während des Schwitzens unmittelbar nachverfolgen.“

Schutz der Hydrogele durch Folie

Allerdings ergaben sich durch die Hydrogele auch Schwierigkeiten. Da Hydrogel aus wasseranziehenden Polymeren besteht, dringen Wasser und Elektrolyte leicht ein, was die Messgenauigkeit beeinträchtigen kann. Um dies zu verhindern, verwendete das Team eine PVDF-HFP-Folie als Barriere, die die Hydrogele vor überschüssigem Wasser schützte und die OCV-Stabilität sicherstellte.

„Das war die größte Herausforderung bei der Entwicklung. Werden die Hydrogele ohne Schutz eingesetzt, quellen sie in Wasser auf und ihre Leistungsfähigkeit nimmt ab“, so Zhang. „Mit der PVDF-HFP-Schicht als Trennmaterial gelang es uns, die Hydrogele zu stabilisieren und die Signalqualität aufrechtzuerhalten.“

Wiederholt zuverlässige Messergebnisse

Zur Validierung führten die Forschenden zwei Experimente durch: In einem ersten Schritt wurde Schweiß während körperlicher Belastung gesammelt und separat mit dem Sensor analysiert. Im zweiten Schritt trug die Versuchsperson den Sensor direkt während des Trainings. Die Software stellte die Chloridwerte dabei kontinuierlich grafisch dar. Ein Vergleich beider Versuchsanordnungen bestätigte die hohe Messgenauigkeit des Sensors.

Der Sensor erfasst Daten innerhalb von weniger als zehn Sekunden. Laut Zhang erreicht er eine Empfindlichkeit von 174 mV pro Dekade – fast das Dreifache der theoretischen Grenze von 59,2 mV pro Dekade, die von potentiometrischen Sensoren erreicht wird. Neben hoher Reversibilität sorgen die Konsistenz der Messungen und die Unabhängigkeit von vorherigen Werten für einfache und wiederholt zuverlässige Ergebnisse.

Messung weiterer Ionen und Moleküle im Schweiß

Obwohl der Sensor primär zur Detektion erhöhter Chloridwerte bei Mukoviszidose entwickelt wurde, sieht Cheng darin eine Grundlage für weitere tragbare Systeme. „Dieses System eröffnet den Weg zu kostengünstigen, skalierbaren und tragbaren Chloridsensoren“, so Cheng. „Das technische Prinzip lässt sich auch auf andere Ionen oder Moleküle im Schweiß anwenden, etwa Glukose. Damit könnte zusätzlicher Einblick in den Gesundheitsstatus gewonnen werden. Darüber hinaus sehen wir großes Potenzial, diese Mechanismen auf andere Plattformen jenseits von Wearables zu übertragen.“ (ins)