Точный контроль уровня натрия в крови необходим для диагностики и лечения множества состояний, включая обезвоживание, болезни почек, а также некоторые неврологические и эндокринные нарушения. До сих пор мониторинг натрия требовал забора крови, что ограничивало частоту измерений и вызывало дискомфорт у пациентов. Новая технология позволяет обойти этот барьер.
Терагерцовое излучение, которое находится между микроволнами и средней инфракрасной областью электромагнитного спектра, идеально подходит для биологических исследований. Оно безопасно для организма, слабо рассеивается в тканях и позволяет регистрировать структурные и химические изменения в образцах. Но есть две проблемы. Во-первых, вода, присутствующая в организме, создает помехи, затрудняя точное обнаружение других веществ. Во-вторых, терагерцовые волны плохо проникают сквозь толстые ткани, что мешает исследованиям внутри тела.
Ученые объединили терагерцовое излучение с оптоакустическим методом. Их модульная система облучает образец терагерцовыми волнами. Когда натрий в крови поглощает эти волны, ионы натрия начинают вибрировать и создают ультразвуковые волны, которые затем улавливаются с помощью специального преобразователя. Таким образом, терагерцовая энергия превращается в звуковой сигнал, пригодный для точных измерений.
В ходе экспериментов ученые измерили уровень натрия в крови живых мышей в реальном времени, без использования каких-либо меток. Они отслеживали изменения с точностью до миллисекунд в течение более 30 минут. Измерения проводились на ухе, а кожу охлаждали до 8°C, чтобы снизить помехи от воды. Последующие эксперименты на образцах крови человека подтвердили, что технология способна быстро различать высокие и низкие уровни натрия. В испытаниях на добровольцах метод неинвазивно измерил уровень ионов натрия в кровеносных сосудах рук, даже без предварительного охлаждения кожи.
Несмотря на хорошие результаты, исследователи признают: для полноценного применения технологии на людях систему нужно доработать. В частности, важно найти оптимальные зоны для измерений, где можно минимизировать помехи от воды или использовать новые методы обработки сигнала, чтобы полностью отказаться от охлаждения тканей. Например, такой зоной может стать ротовая полость.
Авторы подчеркивают, что технология открывает возможности не только для мониторинга натрия, но и для определения других биомолекул, включая сахара, белки и ферменты, по их уникальным терагерцовым сигнатурам. В перспективе система сможет помочь врачам контролировать уровень натрия у пациентов в режиме реального времени и оперативно предотвращать опасные осложнения, например, неврологические нарушения, которые возникают при резких колебаниях концентрации натрия в крови.
