Embora a medicina moderna tenha avançado de formas que pareceriam milagrosas para os nossos antepassados, uma característica fundamental permaneceu quase inalterada: a prática da medicina é em grande parte reativa. As pessoas marcam uma consulta com o médico quando não se sentem bem. Eles vão ao pronto-socorro quando aquela dor incômoda no abdômen finalmente se torna insuportável e acabam no pronto-socorro quando têm dificuldade para respirar.

Estudos demonstraram que a medicina preventiva – o acto de detectar e tentar evitar potenciais condições de saúde antes que estas comecem – melhora enormemente os resultados dos pacientes. Agora, vários pesquisadores do Caltech estão trabalhando para tornar a medicina preventiva mais acessível através do desenvolvimento de sensores vestíveis – dispositivos pequenos e discretos que podem fornecer monitoramento contínuo em tempo real de biomarcadores relacionados a diabetes, estresse, inflamação, doenças cardíacas, gota, fertilidade e mais. O objetivo: levar atendimento médico ao paciente em vez de levar o paciente ao atendimento médico. Embora uma visita ao consultório médico exija uma consulta e seja apenas um momento no tempo, um sensor vestível pode monitorar a saúde de um paciente enquanto estiver usado, esteja o paciente em casa ou no trabalho, dormindo ou acordado.

Grande parte deste esforço ocorreu nos laboratórios do engenheiro médico Wei Gao, cujos sensores detectam compostos no suor que podem significar doenças; a engenheira elétrica e médica Azita Emami, que usa aprendizado de máquina e redes neurais para detectar problemas cardíacos; e a engenheira mecânica Chiara Daraio, que busca inspiração no mundo natural ao projetar materiais com propriedades sensoriais.

Os sensores não invasivos de Gao podem ser usados em quase qualquer parte do corpo e usar o suor para fornecer pistas sobre a saúde de uma pessoa: se o nível de açúcar no sangue de alguém estiver muito alto, por exemplo, isso pode se refletir no suor. Além disso, quando alguém passa por estresse, seu corpo secreta níveis aumentados do hormônio cortisol, em parte através do suor. Também são encontradas na transpiração proteínas ligadas à inflamação e outros biomarcadores, como um hormônio ligado à saúde reprodutiva das mulheres e o ácido úrico, que causa a gota.

Mas como o suor contém concentrações mais baixas destes compostos do que as encontradas no sangue, Gao e os seus colegas tiveram de inventar tecnologias especializadas para os detectar. Como Gao discutiu na sua palestra Watson de 2023, “Biossensores vestíveis e o futuro da medicina personalizada”, estas ferramentas novas e inovadoras incluem nanopartículas de ouro, grafeno impregnado com anticorpos e até ADN artificial. Utilizando estas tecnologias, que são sintonizadas com precisão para se ligarem a uma molécula específica como o cortisol e depois gerarem uma pequena corrente eléctrica que pode ser medida na pele, os sensores podem detectar níveis mínimos de biomarcadores importantes ligados a condições de saúde.

“Os sensores vestíveis dão-nos a oportunidade de identificar problemas de saúde numa fase inicial, permitindo uma intervenção atempada”, explica Gao. Além disso, diz ele, “eles poderiam desempenhar um papel muito importante no monitoramento do tratamento da doença. Por exemplo, poderíamos monitorar os níveis de medicamentos terapêuticos em nosso corpo.”

A equipe de Gao colaborou com o laboratório de Emami em um de seus sensores mais recentes, utilizando sua experiência em design de semicondutores e circuitos para construir um chip que pode medir simultaneamente múltiplas condições e biomarcadores – um processo conhecido como detecção multimodal – e pode caber em um pacote compacto que mede apenas 2 milímetros quadrados. Emami e Gao também estão trabalhando em sensores que requerem uma quantidade tão pequena de energia que poderiam usar o ácido láctico encontrado no suor como fonte de energia, eliminando a necessidade de uma fonte de energia externa, como uma bateria, ou recarga.

Emami e sua equipe também desenvolveram um sensor vestível para detectar arritmias cardíacas, que são batimentos cardíacos irregulares que podem pressagiar problemas cardíacos mais graves. Pessoas com risco de arritmia normalmente são encaminhadas para uma clínica onde são submetidas a um eletrocardiograma e têm seus batimentos cardíacos monitorados por profissionais médicos. Mas como as arritmias podem ser imprevisíveis, podem não ocorrer enquanto o paciente estiver na clínica. Emami pretende preencher esta lacuna diagnóstica.

Embora muitas pessoas monitorem seus batimentos cardíacos com um Apple Watch ou Fitbit, o sensor da Emami – que é usado no peito – faz algo mais complexo. Além de monitorar a frequência cardíaca, ele também detecta a atividade elétrica do coração por meio de uma rede neural treinada em um conjunto de padrões de batimentos cardíacos para procurar anormalidades. (As redes neurais são sistemas de IA inspirados em sistemas biológicos como o cérebro.)

A ideia, diz Emami, é que os médicos possam prescrever o sensor para pessoas com alto risco de arritmia usarem ao longo de uma semana. Esse intervalo de tempo permitiria que o sensor, que é menor e consome menos energia que os modelos atuais, coletasse dados sobre eventos raros que podem não ocorrer em uma clínica, ao mesmo tempo em que alertaria o paciente sobre o início de uma arritmia perigosa que requer assistência médica imediata. atenção. “A arritmia pode acontecer aleatoriamente em momentos diferentes”, diz Emami. “Se você for à clínica, tudo pode parecer bem. Em segundo lugar, existem algumas arritmias que são muito perigosas e é necessário ir imediatamente ao hospital ou ao pronto-socorro. Este sensor ajudaria a enviar pessoas seletivamente para uma clínica ou para um pronto-socorro.”

Daraio adotou outra abordagem para sensores vestíveis, buscando inspiração na natureza. Em sua palestra Watson de 2023 na Caltech, “ Tornando os materiais vestíveis mais inteligentes ”, ela discutiu como as propriedades da pectina, um açúcar complexo encontrado em plantas e frutas, levaram seu laboratório a desenvolver um novo polímero que detecta mudanças de temperatura e umidade.

Este polímero, diz Daraio, pode ser tecido em tecido que pode ser transformado em roupas ou integrado diretamente em sensores vestíveis que podem monitorar a temperatura corporal de uma pessoa em busca de febre, potencialmente sinalizando uma doença. A pectina, molécula responsável por fazer compotas e geleias “firmes”, é tão sensível às mudanças de temperatura que um pedaço de manga seca pode ser usado como termômetro improvisado, disse Daraio em sua palestra. Ela e seus colegas examinaram a estrutura e o comportamento da pectina, particularmente a sua condutividade iônica, para desenvolver o polímero sintético, que possui uma estrutura molecular semelhante. No entanto, o polímero representa uma melhoria em relação à pectina, possuindo propriedades físicas mais fortes e capacidades de detecção de temperatura mais precisas.

“A pectina, como molécula natural, é 300 vezes mais responsiva e precisa do que os melhores sensores de temperatura disponíveis atualmente”, diz Daraio. “Nosso polímero sintético, que é muito econômico e pode ser produzido em grandes lotes, é ainda mais responsivo e preciso do que a pectina.”

A pectina também rasga facilmente quando não é dissolvida em água. O polímero, no entanto, pode ser elástico e resiliente, tornando-o adequado para uso em dispositivos que se movem com o usuário.

“Muitos sensores vestíveis atuais são feitos com componentes eletrônicos rígidos que não interagem facilmente com tecidos macios e adaptáveis”, diz Daraio. “No entanto, para serem usados durante todo o dia, os sensores devem ser imperceptíveis, resistentes à lavagem e compatíveis com ambientes úmidos porque fibras naturais como algodão e lã tendem a absorver umidade. Os novos polímeros que estamos desenvolvendo utilizam alterações na condutividade iônica para responder às variações de temperatura. Esses condutores iônicos podem ser integrados em fios inteligentes, por exemplo, que podem ser bordados em têxteis eletrônicos com novas funcionalidades usando métodos de fabricação convencionais.”

Como a busca por sensores vestíveis se beneficia da experiência em disciplinas como biologia, engenharia médica, engenharia elétrica, ciência da computação, engenharia de materiais e química, o foco da Caltech na colaboração interdisciplinar entre professores torna o Instituto adequado para ser um centro para esse tipo de pesquisa. Embora os sensores vestíveis ainda sejam relativamente novos e o seu futuro seja algo incerto, estes produtos podem tornar-se mais comuns nas nossas vidas à medida que a tecnologia informática se torna cada vez mais pequena, mais rápida e mais barata, e os novos materiais utilizados para fabricar os próprios sensores se tornam mais práticos e eficientes.

“No futuro, acho que teremos dispositivos vestíveis que poderão coletar simultaneamente uma gama mais ampla de informações do nosso corpo”, diz Gao. “Com informações mais abrangentes, como informações físicas e químicas detectadas com sensores de suor, poderíamos saber muito mais sobre nosso corpo e nossa saúde.”

Viviana Gradinaru, professora Lois e Victor Troendle de Neurociência e Engenharia Biológica, diretora do Centro de Neurociência Molecular e Celular, e diretora Allen VC Davis e Lenabelle Davis Leadership Chair do Richard N. Merkin Institute for Translational Research, discute o papel potencial dos sensores vestíveis na medicina preventiva.

Para a medicina preventiva, o diagnóstico precoce é fundamental. Neste momento, há uma escassez de compreensão biológica básica de biomarcadores vitais de saúde e doenças, especialmente biomarcadores que poderiam ser acessados ??com facilidade e frequência. É difícil fazer esses tipos de medições periódicas se forem caras, invasivas ou dolorosas, ou se estressarem você. Após a COVID, também houve um atraso no acesso aos cuidados de saúde.

Absolutamente. Há uma citação que se origina do [consultor de gestão] Peter Drucker: “Você não pode gerenciar o que não pode medir”. Sensores vestíveis podem desempenhar um papel crucial porque permitiriam a medição frequente de fatores que podem educar humanos saudáveis sobre o que ainda está por vir quando mudanças no curso ainda forem possíveis. Fala-se muito sobre longevidade, mas os wearables podem mudar a conversa de longevidade para “vida útil”. Há um valor absoluto para que as pessoas saudáveis tenham estas medições frequentes, tenham um período de tempo e, dependendo desse período de tempo, intervenham com comportamentos úteis e acionáveis para prolongar o seu período de saúde.

Um sensor vestível eficaz precisa integrar diversas tecnologias, às vezes complexas, e você também precisa que tudo funcione perfeitamente para aumentar a conformidade do usuário. Caltech é excepcionalmente bom neste tipo de fertilização cruzada devido ao seu pequeno tamanho e aos pilares de excelência em biologia, química, engenharia e ciência de dados. E com o Instituto Merkin da Caltech, estamos entusiasmados em conectar a tecnologia com os usuários finais e, conforme necessário, com os médicos para informar o melhor caminho para aumentar a extensão da saúde para todos.

Azita Emami é Professora Andrew e Peggy Cherng de Engenharia Elétrica e Engenharia Médica; diretor executivo de engenharia elétrica; e diretora do Center for Sensing to Intelligence, que financia seu trabalho junto com o Carver Mead New Adventure Fund, o Office of Naval Research e o Heritage Medical Research Institute (HMRI).