Tuula Franck ja Mari Tamminen

Johdanto

Otsikon aihe on hyvin kiinnostava ja ajankohtainen. Terveysbiosensorit ovat luonnollinen jatke älykelloille ja liikuntamonitoreille, jotka mittaavat kehon aktiivisuutta. Samalla kehon tilan ja toimintojen monitorointi ja mittaaminen voivat siirtyä terveydenhuollon toimipisteistä ihmisten kotiin ja arkielämän lomassa automaattisesti hoidettavaksi asiaksi.

Elintoimintojen ja veren koostumuksen automaattisella ja jatkuvalla mittaamisella saadaan tärkeää tietoa, joka auttaa ennakoimaan alkavia terveysongelmia sekä mahdollistaa terveydentilan heikkenemisen ehkäisyn ajoissa. Toinen näkökulma on jo todettuihin sairauksiin liittyvä jatkuva monitorointi ja mahdolliset automaattiset kehon tarpeiden mukaiset hoitotoimenpiteet, esimerkiksi lääkkeen annostelu. Kummassakin tapauksessa pystytään parantamaan elämän laatua, tehostamaan ja automatisoimaan terveyden- ja sairaanhoitoa ja vähentämään kustannuksia.

Medica 2016 -sivustolla on esitelty kaksi terveysteknologian sovellusta, joihin tässä yhteydessä tartuimme. Ensimmäinen sovellus mittaa kehon perustoimintoja ja vertaa mittaustuloksia suurten datamäärien pohjalta rakennettuihin algoritmeihin ja ennustaa niiden avulla sairastuvuutta. Toisella voidaan mitata veren glukoositasoa ja annostella insuliinia tai tulevaisuudessa insuliinia tuottavia beetasoluja.

Biosensorin toimintaperiaate

Biosensori on yleisen määritelmän mukaan analyyttinen laite, joka muuntaa biologisen vasteen osaksi sähköistä signaalia. Biosensoriin on lisätty bioaktiivisia aineita kuten entsyymejä. Mittauskohteessa tapahtuva biokemiallinen reaktio tuottaa sähkösignaalin, jonka laite voi havaita.

Esimerkiksi jo nykypäivän verensokerimittareissa käytetään biosensoritekniikkaa. Mittarit toimivat hyvin pienillä näytemäärillä, esimerkiksi 0,3 mikrolitralla verta. Sormenpään ihoon tehdystä pistosta puristettua veripisaraa kosketetaan testiliuskalla, joka puolestaan on kiinnitetty pieneen mittarinäyttöön. Verinäyte imeytyy testiliuskaan kapillaarivoiman avulla, ja liuska pystyy mm. mittaamaan, onko verinäytettä riittävästi.

Testiliuskassa myös tapahtuvat verensokeripitoisuuden mittaukseen vaadittava kemiallinen eli entsyymireaktio sekä mittaus. Entsyymireaktiosta aiheutuu hapetusreaktio, joka puolestaan tuottaa muutoksen sähköjännitteeseen. Sähköjännitteen voimakkuus kertoo veren glukoosipitoisuuden. Liuskan ja mittarin välinen sähköinen yhteys mahdollistaa mittaustulosten näytön.

Uusimmat biosensorit mittaavat biovasteita ei-invasiivisesti. Esimerkiksi verensokerimittaukseen on kehitelty mm. anturi, joka on käytännössä ohut iholle asetettava kalvo, "kertakäyttöinen tatuointi", joka sisältää elektrodeja. Se mittaa verensokerin soluvälinesteestä sähkön avulla. Mittaustulos on siirrettävissä esimerkiksi bluetooth-teknologialla ulkoiseen laitteeseen.

Seuraava kehitysvaihe biosensoriteknologiassa on laitteen itsenäinen reagointi havaittuun mittaustulokseen, esimerkiksi tarvittavan lääkeaineen annostelu kehoon. Tällöin voidaan puhua älykkäistä biosensoreista.

Päällä pidettävät sensorit kertovat mahdollisista sairauksista

Kannettavia ja päälle puettavia kehon toimintaa mittaavia biosensoreita voidaan käyttää laajasti terveysongelmien selvittämiseksi. Sensoreilla, joita nykyisin käytetään paljon myös liikunta- ja terveysmonitoroinnissa, voidaan tunnistaa epänormaaleja arvoja ihmiskehon peruselintoiminnoissa kuten sykkeessä, ihon lämpötilassa, happisaturaatiossa, kehon aktiivisuudessa (uni, askeleet, liikunta, kalorit) sekä esimerkiksi altistumisessa gamma- ja röntgensäteilylle.

Stanfordin yliopiston tutkijat pystyivät selvittämään mitatuista arvoista oleellista tietoa siitä, mitä kehon sisällä tapahtuu. Normaalista poikkeavista arvoista he rakensivat malleja, joiden avulla pystytään ennakoimaan esimerkiksi alkavia infektioita tai insuliiniresistanssin kohonnutta riskiä. Tutkijat uskovat, että säännöllisillä ja jatkuvilla kehon toiminnan mittauksilla pystytään ennakoimaan ja ehkäisemään sairauksia sekä alentamaan hoitokustannuksia.

Professori Michael Snyderin johdolla testattiin 60 koehenkilöä, jotka pitivät päällään useita sensoreita. Jokaisesta koehenkilöstä mitattiin noin 250 000 arvoa päivässä. Yhteensä mittausdataa kertyi noin kaksi miljardia arvoa. Lisäksi koehenkilöistä otettiin säännöllisesti laboratoriokokeita. Mittaustuloksista etsittiin kunkin henkilön normaaleista poikkeavia arvoja ja ne yhdistettiin ympäristön muutoksiin, sairauksiin tai muihin terveyteen vaikuttaviin tekijöihin. Tietyt arvojen muutokset näyttivät korreloivan tiettyjen terveysongelmien kanssa. Tutkijat loivat algoritmeja tunnistamaan muutoksia ja kehitystä, ja näiden avulla voidaan todennäköisesti tulevaisuudessa tukea kliinistä diagnostiikkaa ja tutkimusta.

Tutkimusta johtanut Snyder piti itse päällään kahdeksaa eri sensoria. Testin aikana hän matkusti Norjaan. Normaalisti lentomatkan aikana happisaturaatio laskee ja pulssi nousee, mutta ne tasaantuvat normaaleille tasoille yleensä lennon aikana tai laskeutumisen jälkeen. Snyderin arvot eivät jostain syystä palautuneet normaaleiksi, ja pian lentomatkan jälkeen hänelle nousikin kuume. Snyder epäili itse sairastuneensa borrelioosiin, koska oli aiemmin ollut rakennustöissä maalla. Testit osoittivatkin myöhemmin, että hänen epäilyksensä piti paikkansa. Keskeistä tutkimuksen kannalta oli se, että sensorit havaitsivat kehon infektion ennen kuin Snyder itse tiesi olevansa sairas.

Useilta testiin osallistuneilta mitatut normaalia korkeammat syke- ja lämpötila-arvot korreloivat positiivisesti kohonneen tule hdusta mittavan CRP-arvon kanssa. Tutkijat loivat myös algoritmin, jonka avulla pystyttiin arvioimaan henkilön kohonnutta riskiä insuliiniresistanssin kehittymiselle. Snyder kuvailee alan kehitystä: "Nykyisin autojen toimintaa mittaa enemmän mittareita kuin ihmiskehoa. Tulevaisuudessa tilanne on päinvastainen."

Älykäs biosensori sekä mittaa että hoitaa ‒ beetasoluja sisältävä älylaastari (smart patch) diabeteksen hoitoon

Tutkijat ovat kehittäneet insuliinia tuottavia beetasoluja sisältävän älylaastarin (smart patch) diabeteksen hoitoon. Tämä on täysin uusi hoitotapa. Älylaastarin teknologia perustuu Pohjois-Carolinan yliopiston professori Zhen Gun ja hänen tiiminsä jo aiemmin kehittämään älyinsuliinilaastariin (smart insulin patch), jonka avulla verensokeritasoa voidaan monitoroida jatkuvasti sekä siirtää insuliinia verenkiertoon, kun glukoosiarvot nousevat yli normaalitason. Tutkijat ovat kehittäneet teknologiaa ja onnistuneet luomaan älylaastarin, joka sisältää eläviä beetasoluja insuliinin sijaan.

Diabetesta sairastaa tilastojen mukaan lähes 400 miljoonaa ihmistä, ja sairastuneiden määrän arvioidaan nousevan 500 miljoonaan vuoteen 2030 mennessä. Sekä tyypin 1 että tyypin 2 diabetesta sairastavien tulisi seurata säännöllisesti verensokeritasojaan ja injektoida insuliinia tarvittaessa. Häiriöt ja keskeytykset mittauksissa sekä insuliini-injektioissa voivat johtaa korkeisiin glukoositasoihin. Hoitamaton diabetes eli pitkään jatkuneet liian korkeat verensokeritasot voivat johtaa vakaviin seurauksiin kuten raajojen haavaumiin, amputointeihin, näön heikkenemiseen tai jopa hengenvaaralliseen sokkitilaan.

Haimassa sijaitsevat beetasolut tuottavat, varastoivat ja vapauttavat insuliinia, joka säätelee verensokeritasoa esimerkiksi ruokailun jälkeen. Kun ihminen sairastuu diabetekseen, haiman beetasolut ovat joko tuhoutuneet tai ne eivät pysty tuottamaan riittävästi insuliinia glukoositason pitämiseksi riittävän alhaisena. Tutkijat ovat vuosikymmenten ajan yrittäneet kopioida beetasolujen toimintaa. Potilaille on tehty muun muassa beetasolujen elinsiirtoja, mutta suurin osa solusiirroista on epäonnistunut vakavien hylkimisoireiden tai niiden hoitojen takia.

Zhen Gun ja hänen tiiminsä kehittämällä älylaastarilla haetaan ratkaisua juuri kehon hylkimisreaktio-ongelmaan. He ovat kehittäneet iholle asetettavan laastarin, jonka sisään on kapsyloitu beetasoluja biovastaaviin polymeerisiin soluihin. Beetasolut on kyetty pitämään ihmisen immuunijärjestelmän ulkopuolella, minkä ansioista on vältytty hylkimisreaktioilta.

Älylaastari on ohut, neliön muotoinen ja noin euron kolikon kokoinen, ja siinä on satoja mikroneulasia. Mikroneulaset on täytetty mikrokapsyloiduilla beetasoluilla (pancreatic beta cell capsule). Kun älylaastari on iholla, beetasolut voivat siirtyä mikroneulasten kautta kapillaarisuoniin ja verenkiertoon. Jotta vältyttäisiin liian korkeilta insuliinitasoilta ja hypoglykemialta, tutkijat kehittivät myös "glukoosisignaalin vahvistajan", joka koostuu käytännössä kolmea kemikaalia sisältävistä nesterakkuloista. Se varmistaa, että beetasolut osaavat tunnistaa glukoositason ja reagoivat siihen oikein.

Älylaastariteknologiaa on testattu pienillä elämillä. Tyypin 1 diabetesta "sairastavilla" hiirillä älylaastari reagoi nopeasti verensokeritason voimakkaaseen nousuun ja laski sen normaalille tasolle 10 tunnin ajaksi. Tutkimusprosessin seuraavana vaiheena on testaaminen ihmisillä.

Lopuksi

Älykkäiden biosensoreiden avulla terveyden seuraaminen voisi olla sekä ihmiselle itselleen että terveydenhuollon edustajille helpompaa, tehokkaampaa ja tarkempaa kuin fyysisesti terveydenhuollossa tapahtuvien tarkastuksien perusteella. Myös muutoksiin puuttuminen tapahtuisi sairauksien kehittymisen ja hoidon kannalta oikea-aikaisemmin.

Olemme kuitenkin vielä kaukana siitä ajasta, jolloin jokaista seurattaisiin ja hoidettaisiin tällä tavoin etälaitteiden avulla. Käytännössä siihen liittyisi myös esimerkiksi laajoja tasa-arvoa, yksityisyydensuojaa ja muita eettisiä kysymyksiä sivuavia ratkaistavia asioita. Toivottavasti älykäs terveysteknologia tulee kuitenkin jo pian helpottamaan etenkin kroonisia sairauksia sairastavien tai niiden riskiä kantavien ihmisten elämää ja hoitoa.

Kirjallisuuslähteet

Amay J. Bandodkar, Wenzhao Jia, Ceren Yardımcı,Xuan Wang, Julian Ramirez, Joseph Wang 2015. Tattoo-Based Noninvasive Glucose Monitoring: A Proof-of-Concept. Analytical Chemistry 2015, 87, 394−398.

http://blogi.sokeriseuranta.fi/2016/01/freestyle-libre-verensokerimittarin-sensorin-valimalli/

Scientists create painless patch of insulin-producing beta cells to control diabetes. University of North Carolina Health Care and UNC School of Medicine. Newsroom. Verkkojulkaisu. http://news.unchealthcare.org/news/2016/march/scientists-create-painless-patch-of-insulin-producing-beta-cells-to-control-diabetes . Luettu 3.2.2017

Toward a 'smart' patch that automatically delivers insulin when needed. Phys.org-uutispalvelu. https://phys.org/news/2017-01-smart-patch-automatically-insulin.html Luettu 3.2. 2017

Vesterlund, Nina 2012. Selvitystyö verensokerimittareiden toimintaperiaatteista ja virhelähteistä. Opinnäytetyö. Oulun seudun ammattikorkeakoulu, Hyvinvointiteknologian koulutusohjelma

Wearable sensors can tell when you are getting sick. Stanford University School of Medicine. News center. Verkkojulkaisu. https://med.stanford.edu/news/all-news/2017/01/wearable-sensors-can-tell-when-you-are-getting-sick.html . Luettu 3.2.2017