L'Université Northwestern dévoile un appareil portable pour mesurer la respiration cutanée

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Mesurant seulement deux centimètres de long et un centimètre et demi de large, le dispositif comprend une chambre, un ensemble de capteurs, une vanne programmable, un circuit électronique et une petite batterie rechargeable. Au lieu de toucher directement la peau, la chambre flotte à quelques millimètres au-dessus. (Image :avec l'aimable autorisation de John Rogers)

Des chercheurs de l'Université Northwestern ont développé le premier appareil portable permettant de mesurer les gaz émis et absorbés par la peau. En analysant ces gaz, l'appareil offre une nouvelle façon d'évaluer la santé de la peau, notamment en surveillant les plaies, en détectant les infections cutanées, en suivant les niveaux d'hydratation, en quantifiant l'exposition à des produits chimiques nocifs pour l'environnement, et bien plus encore.

La nouvelle technologie comprend un ensemble de capteurs qui mesurent avec précision les changements de température, de vapeur d'eau, de dioxyde de carbone (CO2) et de composés organiques volatils (COV), chacun donnant des informations précieuses sur diverses affections cutanées et sur l'état de santé général. Ces gaz s'écoulent dans une petite chambre à l'intérieur de l'appareil qui plane au-dessus de la peau sans la toucher. Cette conception sans contact est particulièrement utile pour recueillir des informations sur la peau fragile sans perturber les tissus délicats.

L'étude, publiée dans la revue Nature , démontre l'efficacité de l'appareil sur les petits animaux et les humains.

"Cet appareil est une évolution naturelle des appareils électroniques portables de notre laboratoire qui collectent et analysent la sueur", a déclaré John A. Rogers de Northwestern, qui a codirigé l'étude. "Dans ce cas, nous analysions la sueur pour en savoir plus sur l'état de santé général de l'utilisateur. Bien qu'utile, cette méthode nécessite une stimulation pharmacologique des glandes sudoripares ou une exposition à un environnement chaud et humide. Nous avons commencé à réfléchir à ce que nous pourrions capturer de la peau qui se produit naturellement en permanence. Il s'avère qu'il y a toutes sortes de choses qui sortent de la surface de la peau - de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone et des composés organiques volatils - qui peuvent être corrélées à la santé physiologique sous-jacente. "

"Cette technologie a le potentiel de transformer les soins cliniques, en particulier pour les populations vulnérables, notamment les nouveau-nés, les personnes âgées, les patients diabétiques et d'autres personnes ayant une peau fragilisée", a déclaré Guillermo A. Ameer de Northwestern, qui a codirigé l'étude. "La beauté de notre appareil réside dans le fait que nous avons trouvé une toute nouvelle façon d'évaluer l'état d'une peau délicate sans avoir à entrer en contact avec des plaies, des ulcères ou des écorchures. Cet appareil est la première étape majeure vers la mesure des changements dans les gaz et la corrélation de ces changements avec l'état de la peau. "

Pionnier de la bioélectronique, Rogers est professeur Louis Simpson et Kimberly Querrey de science et d'ingénierie des matériaux, de génie biomédical et de chirurgie neurologique à Northwestern – avec des nominations à la McCormick School of Engineering de Northwestern et à la Feinberg School of Medicine – et directeur de l'Institut Querrey Simpson pour la bioélectronique. Ameer est professeur Daniel Hale Williams de génie biomédical à McCormick, professeur de chirurgie à Feinberg et directeur du Center for Advanced Regenerative Engineering. Rogers et Ameer ont codirigé l'étude avec Yonggang Huang, professeur Jan et Marcia Achenbach en génie mécanique et professeur de génie civil et environnemental.

Appelée barrière cutanée, la couche la plus externe de la peau constitue la première ligne de défense de l’organisme contre l’environnement extérieur. Il maintient l'hydratation en empêchant la perte excessive d'eau et agit comme une barrière contre les irritants, les bactéries et les rayons ultraviolets. Lorsque la barrière cutanée est compromise, cela peut entraîner une perte d'eau accrue (appelée perte d'eau transépidermique ou TEWL), une sensibilité cutanée et un risque d'infection, ainsi que des affections inflammatoires comme l'eczéma et le psoriasis.

"La peau est essentielle pour nous protéger de l'environnement", a déclaré le co-auteur de l'étude, le Dr Amy Paller, professeur de dermatologie Walter J. Hamlin et directeur du département de dermatologie de Feinberg. "Un élément majeur de cette fonction protectrice est la barrière cutanée, qui est largement caractérisée par un formidable ensemble de protéines et de graisses étroitement tissées qui retiennent l'eau à l'intérieur et les irritants, les toxines, les microbes et les allergènes à l'extérieur."

En suivant les changements dans les émissions de vapeur d’eau et de gaz de la peau, les professionnels de la santé peuvent avoir un aperçu de l’intégrité des barrières cutanées de leurs patients. Bien qu’il existe des technologies permettant de mesurer la perte de vapeur d’eau, il s’agit de machines volumineuses et encombrantes qui résident en grande partie en milieu hospitalier. L'appareil portable compact, quant à lui, est conçu pour aider les médecins à surveiller leurs patients à distance et pour permettre aux individus de prendre le contrôle de leur propre santé cutanée à la maison.

"L'étalon-or pour mesurer l'intégrité de la barrière cutanée est un grand instrument doté d'une sonde qui est touchée par intermittence par la peau pour recueillir des informations sur la perte d'eau transépidermique - ou le flux d'eau à travers la peau", a déclaré Paller. "Disposer d'un appareil capable de mesurer la perte d'eau transépidermique à distance, en continu ou selon la programmation de l'investigateur - et sans perturber le patient pendant son sommeil - constitue une avancée majeure."

Mesurant seulement deux centimètres de long et un centimètre et demi de large, le dispositif comprend une chambre, un ensemble de capteurs, une vanne programmable, un circuit électronique et une petite batterie rechargeable. Au lieu de toucher directement la peau, la chambre plane à quelques millimètres au-dessus d'elle.

"Les capteurs portables traditionnels reposent sur un contact physique avec la peau, ce qui limite leur utilisation dans des situations sensibles, telles que le soin des plaies ou pour les personnes à la peau fragile", a déclaré Rogers. "Notre appareil surmonte cette limitation en créant une petite chambre fermée au-dessus de la surface de la peau."

Une vanne automatique ouvre et ferme l'entrée de cette chambre — une fonction qui contrôle dynamiquement l'accès entre la chambre fermée et l'air ambiant ambiant. Lorsque la vanne est ouverte, les gaz entrent ou sortent de la chambre, permettant à l'appareil d'établir une mesure de référence. Ensuite, lorsque la vanne se ferme rapidement, elle emprisonne les gaz dans la chambre. À partir de là, la série de capteurs mesure les changements dans les concentrations de gaz au fil du temps.

"Si notre appareil n'incorporait pas une valve programmable et une approche de mesure dynamique du temps pour quantifier le flux d'espèces hors et dans la peau en temps réel, alors le système pourrait être perturbé par les changements dans les concentrations de ces espèces qui pourraient naturellement varier dans l'environnement", a déclaré Rogers. "Si la valve était ouverte tout le temps, le capteur détecterait ce genre de changements, non pas à cause de quoi que ce soit associé à la peau. D'un autre côté, si la valve était toujours fermée, elle perturberait les schémas naturels de flux d'une manière qui ne pourrait pas non plus tenir compte des facteurs environnementaux. Pour les travailleurs travaillant dans des environnements potentiellement dangereux, il est utile de savoir quelle quantité de ces espèces dangereuses pénètrent dans le corps par la peau. "

Grâce à Bluetooth, l'appareil envoie ces données directement à un smartphone ou une tablette pour une surveillance en temps réel. Ces résultats rapides peuvent aider les agents de santé à prendre des décisions plus éclairées – et plus rapides – concernant la gestion des plaies et l'administration d'antibiotiques.

Étant donné que l'augmentation de la vapeur d'eau, du CO2 et des COV est associée à la croissance bactérienne et à un retard de guérison, la surveillance de ces facteurs peut aider les soignants à détecter les infections plus tôt et avec plus de confiance.

"Prescrire des antibiotiques pour les plaies peut être un peu un pari", a déclaré Ameer, expert en approches d'ingénierie régénérative visant à améliorer la cicatrisation des plaies. "Parfois, il est difficile de dire si une plaie est infectée ou non. Au moment où cela devient évident, il peut être trop tard et le patient peut développer une septicémie, ce qui est incroyablement dangereux. Pour éviter cela, les médecins prescrivent un large spectre d'antibiotiques. Cela peut conduire à une résistance aux antibiotiques, qui est un problème croissant dans les soins de santé. Être capable de surveiller de près et en permanence une plaie et de prescrire un antibiotique dès les premiers signes d'infection est un intérêt évident et important. "

Si une surveillance continue est importante pour tous les types de plaies, elle est particulièrement cruciale pour les patients diabétiques. Ameer a déjà développé diverses stratégies, notamment des gels antioxydants et des bandages régénératifs, pour traiter les ulcères diabétiques. Il y a à peine deux ans, Ameer s'est associé à Rogers pour créer le premier bandage électronique transitoire, utilisant la stimulation électrique pour accélérer la cicatrisation des plaies. Ce nouveau portable fournit un autre outil pour aider ces patients vulnérables à éviter les effets secondaires à risque.

"Les ulcères diabétiques sont la première cause non traumatique d'amputations des membres inférieurs dans le monde", a déclaré Ameer. "Parfois, il peut sembler que la plaie se referme, mais la fonction de barrière cutanée n'est pas entièrement restaurée. Notre appareil peut mesurer avec précision les gaz émis, ce qui fournit des informations utiles sur la fonction de barrière cutanée."

Cette nouvelle technologie innovante offre non seulement des informations sans précédent sur la cicatrisation des plaies et la santé de la peau, mais elle pourrait également ouvrir la voie à des progrès dans la surveillance de l'efficacité des répulsifs contre les insectes, des crèmes pour la peau et des médicaments systémiques conçus pour améliorer la santé de la peau.

Le CO2 et les COV sont les mêmes gaz qui attirent les moustiques et autres parasites. Ainsi, mesurer ces émissions cutanées pourrait aider les chercheurs à comprendre et potentiellement atténuer l’attraction des moustiques. Le nouvel appareil pourrait également permettre aux dermatologues et à leurs patients de mesurer la vitesse à laquelle les lotions et les crèmes pénètrent dans la peau, ce qui pourrait fournir des informations sur la perméabilité cutanée et la fonction barrière. Ces données pourraient également aider d'autres chercheurs à développer des systèmes d'administration transdermique de médicaments plus efficaces, à surveiller les effets des médicaments administrés par voie systémique pour les maladies de la peau et à évaluer la sécurité des cosmétiques et des produits de soins personnels.

Ensuite, l'équipe de Northwestern prévoit d'affiner les capacités de l'appareil, notamment en ajoutant un capteur pour suivre les changements dans les niveaux de pH et en développant des capteurs de gaz avec une sélectivité chimique accrue pour la détection précoce du dysfonctionnement des organes et d'autres maladies.

"Cette plateforme portable inhabituelle offre une nouvelle façon de penser et de comprendre la santé de la peau", a déclaré Rogers. "Cette technologie ne consiste pas seulement à mesurer les gaz et les caractéristiques correspondantes de la peau. Il s'agit également de prédire l'état de santé général, de prévenir les infections et les maladies et de créer un avenir où les soins personnalisés sont pilotés par un suivi continu et en temps réel de l'état de santé, grâce à une nouvelle collection de paramètres qui complètent ceux qui peuvent être capturés avec des appareils portables conventionnels."

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