Tatuaże medyczne: Monachium kontra diagnostyka

Dzięki niezwykle interesującym pracom badawczym dr Alego Yetisena oraz jego zespołu z Politechniki Monachijskiej (TUM) otwiera się przed nami kolejna droga, która może skrócić procesy diagnostyczne i dosłownie pomóc w ratowaniu życia i zdrowia.

Kolejna, ponieważ już ostatnio opisałem pokrótce podobny zamysł: projekt Dermal Abyss. Jego celem było sprawdzenie potencjału niezwykłego pomysłu – badacze zastanawiali się, czy pigmenty mogą mieć funkcje pomagające w codziennym życiu. I czy faktycznie możemy stworzyć prawdziwe tatuaże medyczne.

Tym razem przyjrzymy się wspólnie pracy monachijskich naukowców, którzy swoje wstępne wnioski opublikowali w prestiżowym Angewandte Chemie, periodyku Niemieckiego Stowarzyszenia Chemików (GDCh), uznawanego za jedno z najważniejszych, jeśli nie najważniejsze, pismo specjalistyczne w tej dziedzinie na świecie.

Praca pod niezbyt chwytającym za serce tytułem “Skórne tatuaże biosensoryczne w kolorymetrycznej detekcji metabolitów” (“Dermal Tattoo Biosensors for Colorimetric Metabolite Detection”) nie brzmi jak w sam raz do porannej kawy. Ale żarciki na bok, bo chociaż wydźwięk jest poważny, techniczny i, nie oszukujmy się, dość mało przystępny, to znaczenie ma niemałe.

Żeby jednak nie utracić Cię od razu naukowym żargonem, przetłumaczmy to wspólnie na ludzki język.

Tatuaże medyczne w kolorymetrycznej detekcji metabolitów

Cóż, tego zdania do napisania w Focusie nie było w moim bingo na 2026 rok, ale ponieważ lubię rozkładać złożone zagadnienia na mniejsze kawałki, żeby lepiej je zrozumieć – zapraszam Cię do towarzyszenia mi przy tym niełatwym zadaniu. A więc po kolei!

Kolorymetria to po prostu konkretna technika analityczna, w której główne znaczenie odgrywa kolor roztworów. Ich barwę porównuje się do siebie lub określonego wzorca, a dodatkowo trzeba nawet uwzględniać wysokość przepuszczalności światła widzialnego. Metod kolorymetrii jest kilka, więc wszystko zależy od tego, jakich informacji potrzebujemy (i czego dotyczą). Na potrzeby zrozumienia tego artykułu nie musisz wiedzieć więcej. Ale jeśli masz ochotę, to bardzo zachęcam do poczytania (źródła znajdziesz na samym końcu).

Detekcji nie muszę chyba tłumaczyć. Za to “metabolity” już by wypadało: w uproszczeniu to produkty przemiany materii. Takimi “odpadkami” mogą być na przykład glukoza, albumina czy mleczany. Jeśli chcesz kiedyś błysnąć wiedzą, to dorzuć, że metabolity mogą powstawać drogą syntezy (anabolizm) lub rozkładu (katabolizm). A jeśli już całkowicie chcesz komuś zaimponować, to poczytaj o diagnostyce medycznej i podkreśl różnice na przykład w analizowaniu procesów metabolizmu ksenobiotyków. A po ludzku: każdej substancji chemicznej obcej dla ciała, na przykład leki, kosmetyki czy nawet pyły zawieszone w powietrzu, którym oddychamy.

Absolutne podstawy już masz. Pora więc na przetłumaczenie znaczenia badań, o których dzisiaj mówię – i to w taki sposób, żeby nie udało Ci się zasnąć z twarzą w talerzu obiadowym.

Tatuaże medyczne mogą być pomocne… w cukrzycy?

W bardzo dużym uproszczeniu, tatuaże medyczne mają być wspomnianymi biosensormi – czyli „czujnikami”, które odczytują sygnały ciała i przekształcają je na sygnały widoczne na skórze. Czyli najwyraźniej powinienem chyba użyć słowa “sygnalizator” lub “wskaźnik”, bo te słowa moim zdaniem znacznie lepiej oddają sens takich tatuaży.

Na potrzeby zobrazowania działania takiej technologii, wyobraź sobie taką sytuację: na skórze umieszczony jest specjalny pigment. Jest zaprojektowany, aby zmieniać swoją barwę w zależności od tego, co dzieje się w ciele – bodźcem do takiej zmiany jest na przykład zmiana pH czy poziomu glukozy.

Jeśli chociaż raz w życiu ktokolwiek z nas zetknął się z osobą chorą na cukrzycę, na pewno słyszał o glukozie. Osoby te muszą najczęściej regularnie sprawdzać jej poziom w organizmie, ponieważ (zależnie od typu cukrzycy) jej nadmiar lub niedobór może być śmiertelnie niebezpieczny. Dosłownie.

Na dzień dzisiejszy dominują dwie główne metody mierzenia poziomu glukozy. Uznawana za “złoty standard” to ta, którą pewnie większość z nas kojarzy, czyli glukometr. Jest ona bardzo precyzyjna, ale ma ogromną wadę – jest po prostu uciążliwa, bo należy nakłuć opuszek palca, a próbkę krwi umieścić na specjalnym czytniku. I tak nawet kilka razy dziennie.

Drugą metodą są systemy CGM (ang. Continuous Glucose Monitoring, pl. Ciągły Monitoring Glukozy). To zaawansowane technologicznie urządzenia, które na dłuższy czas, zazwyczaj do dwóch tygodni, są “podłączane” do ciała. A zależnie od systemu, aplikuje się sensory pod skórę w różny sposób, np. kaniulą. Taki sensor wysyła regularnie sygnał do odbiornika, który rejestruje poziom glukozy na podstawie jej zawartości w płynie śródmiąższowym („autostradach” naszych ciał, odpowiadających praktycznie za cały transport w organizmie).

Brzmi znacznie lepiej, ale w dalszym ciągu jest to wyzwanie i znacznie więcej wad, niż można by przypuszczać – choćby fakt, że sensory trzeba regularnie wymieniać. Nie trudząc się zbytnio, wystarczy policzyć, że przy dwutygodniowych interwałach, chory na cukrzycę musi wymienić ten element systemu CGM ponad 20 razy rocznie. Innym problemem jest na przykład zależność od zasilania, generowanie odpadów elektronicznych czy nawet tak prozaiczna rzecz jak potencjalna awaria sprzętu.

I tu wkraczamy do właściwego tematu.

Tatuaże medyczne = niezawodność i trwałość dzięki naturalnej chemii

I właśnie dlatego zespół dr Yetisena bardzo chciałby posunąć do przodu diagnostykę i stworzyć prawdziwe tatuaże medyczne. Takie, które nie będą zależne od zasilania, będą wymagały znacznie mniej czasu “aplikacji”, może nawet braku wymiany dzięki długoletniemu działaniu.

A zasada działania jest prosta – taki specjalistyczny tatuaż ma wchodzić w reakcję chemiczną zależnie od poziomu określonego czynnika. Badacze z Monachium chcą wykorzystać naturalne procesy ciała zachodzące pod powierzchnią skóry, aby na bieżąco monitorować stan konkretnej substancji. Choćby wspomnianej wcześniej glukozy.

A wyniki? Nie potrzeba drogiego czytnika, specjalistycznej wiedzy czy trudnego oprogramowania. Wystarczy sprawny wzrok i co najwyżej smartfon, bo trzeba jedynie porównać kolor tatuażu medycznego ze wzornikiem. Który zresztą łatwo zapamiętać, bo pigment nie daje subtelnych sugestii, tylko wyraźne, zauważalne zmiany w jego kolorze. Choć i tu są ważne wątpliwości, o czym powiem nieco dalej.

Trójka zawadiaków, czyli glukoza, pH i albumina

Dr Yetisen skupił się na trzech głównych, jego zdaniem, parametrach, które mają niezwykłe znaczenie dla metabolizmu ludzkiego ciała (ale też ogólnego stanu zdrowia):

• na glukozie (dzięki enzymom: oksydazie glukozowej i peroksydazie),
• na poziomie pH,
• i na obecności albuminy.

O pierwszym już mówiłem. Z kolei pH, czyli poziom kwasowości organizmu, jest bardzo ważne choćby w medycynie ratunkowej czy sportowej. Skrajne wartości, sugerujące kwasicę bądź zasadowicę (odpowiednio zbyt wysokie i zbyt niskie pH), niemal gwarantują obecność poważnych zaburzeń metabolicznych. U sportowców, szczególnie wyczynowych, poziomy te mogą być inne i zaburzenia mogą świadczyć o skrajnym wysiłku fizycznym, jednak dla przeciętnego Kowalskiego taka sytuacja nie powinna nigdy wystąpić.

Jeśli masz już za sobą mój poprzedni tekst z tego mini-cyklu, to wiesz, że podobne tatuaże medyczne zaproponowali badacze z projektu Dermal Abyss. Jednak zespół dr Yetisena skierował swoje wysiłki w nieco inną stronę – i to właśnie tu kluczowa jest wymieniona wcześniej przeze mnie albumina.

Mógłbym również i o niej sporo napisać, ale nie chciałbym stworzyć z tego całej książki, więc wybaczysz mi chyba, że będę się trzymał (względnej) zwięzłości. Albumina, w najprostszym ujęciu, jest najważniejszym białkiem produkowanym przez wątrobę. Krąży ona w osoczu, a jej dwoma absolutnie kluczowymi zadaniami są transport substancji po organizmie (na przykład hormonów, enzymów, leków czy witamin – lista jest długa!) oraz zatrzymywanie wody w naczyniach krwionośnych.

Zarówno niedobór tego białka (hipoalbuminemia), jak i nadmiar (hiperalbuminemia) nie są dobrymi oznakami. Jednak z dwojga złego, ponownie tłumacząc na ludzki, nadmiar albuminy najczęściej oznacza po prostu odwodnienie. Nie należy go bagatelizować, ale zazwyczaj spokojnie można dać sobie z nim radę po prostu przyjmując więcej płynów.

Z kolei niedomiar albuminy jest już znacznie rzadszym stanem i niestety często wskazuje na poważne problemy zdrowotne, jak choćby z wątrobą, nerkami czy nawet może wskazywać na niedożywienie (ale w tym przypadku prawdopodobnie byłyby również i inne, łatwiejsze do zauważenia objawy).

Na powyższej grafice, odczyty kolorymetryczne pokazują odpowiednio:

• i) zasadowicę – pH krwi/płynów ustrojowych jest zbyt wysokie (zasadowe, stąd nazwa);
• ii) kwasicę metaboliczną – pH jest zbyt niskie (kwaśne), ale NIE ze względu na problemy oddechowe;
• iii) hiperglikemię – zbyt wysoki poziom cukru;
• iv) hipoglikemię – zbyt niski poziom cukru;
• v) hipoalbuminemię – niedobór albuminy, co może sugerować zmiany w nerkach czy wątrobie;
• vi) hipoglikemia z zasadowicą oddechowa – nietypowa sytuacja, w której współwystępują dwa problemy. Ten pierwszy oznacza “brak paliwa”, a ten drugi szybko uciekający z organizmu dwutlenek węgla (prawdopodobnie hiperwentylację). Wspólnie dają objaw skrajnego wyczerpania organizmu.

ZASTRZEŻENIE: jakość zdjęć w dokumentach była tragiczna, więc zrobiłem upscale, co przełożyło się na subtelne zmiany – po dokładne dane zajrzyj do badania Yetisena, a na obrazek patrz wyłącznie jako ilustrację tego, o czym piszę.

Złote trio gra do jednej bramki

I teraz przechodzimy do perełki: w projekcie tatuaży medycznych dr Yetisena albumina traktowana jest jako swoisty „system wczesnego ostrzegania”. Ponieważ jej poziom zmienia się, gdy organy takie jak nerki czy wątroba zaczynają niedomagać, zmiana koloru pigmentu mogłaby natychmiastowo poinformować daną osobę o problemie. Na długo zanim jeszcze poczuje ona pierwsze fizyczne objawy.

Monachijczycy nie wybrali tych trzech wskaźników przypadkowo. Choć każdy z nich jest „gwiazdą” w swojej dziedzinie (glukoza w cukrzycy, pH w sporcie, albumina w niewydolności organów), to zestawienie ich razem zamienia skórę w kompleksowy panel diagnostyczny, który pozwala na wykrycie korelacji między nimi.

W medycynie często oddziałują one na siebie. Sam wysoki poziom glukozy jest groźny, ale wysoki poziom glukozy połączony z gwałtownym spadkiem pH to sygnał alarmowy wskazujący na kwasicę ketonową. A to już stan bezpośredniego zagrożenia życia. Jednoczesny monitoring tych dwóch czynników pozwala pacjentowi (i ewentualnie bliskim, ratownikowi czy lekarzowi) na natychmiastowe rozróżnienie zwykłego skoku cukru od poważnego załamania metabolicznego.

Z kolei nerki odpowiadają nie tylko za filtrację białek (albumina), ale również za utrzymanie równowagi kwasowo-zasadowej (pH). Dlatego zmiana koloru sensora albuminy sugeruje, że białko “ucieka” z naczyń, a jednoczesna zmiana koloru sensora pH może potwierdzić, że faktycznie coś jest nie tak z nerkami – bo przestały sobie radzić z usuwaniem jonów wodoru, co może wyjaśniać w niektórych przypadkach “uciekanie” albuminy. Również zaburzenia albuminy razem z zaburzeniami glukozy mogą wskazywać na istotny problem z nerkami.

Początek przełomu? Raczej wstęp do dalszej pracy

Mimo że wyniki badań są obiecujące, dr Yetisen i jego współpracownicy otwarcie wskazują na bariery, które dzielą ludzkość od powszechnego wdrożenia tej technologii.

Kluczowym wyzwaniem jest “odwracalność” sensorów: o ile pigmenty odpowiadające za monitoring pH i albuminy wykazały w testach zdolność do powrotu do pierwotnej barwy przy spadku stężenia badanej substancji, o tyle wskaźnik glukozy trudno było podczas badań “zresetować”. Czyli istnieje (na ten moment) możliwość, że taki pigment byłby niestety tylko jednorazowego użytku.

Kolejnym aspektem jest precyzja odczytu. Mimo, że w zamyśle barwy tatuażu medycznego powinny zmieniać się w sposób niebudzący wątpliwości, to jednak interpretacja koloru gołym okiem może być bardzo subiektywna i zależna od warunków oświetleniowych.

I właśnie dlatego badania Yetisena wykraczają poza samą chemię, a wchodzą w obszar nanotechnologii i optyki. W swojej pracy uzupełniającej o tytule „Bio-integrated Photonic Devices” naukowiec analizuje zintegrowane urządzenia fotoniczne pod kątem ich przydatności we wspieraniu biosensorów. A więc sprawdza, czy takie zmiany pozwoliłyby na dokładny odczyt stężenia metabolitów – już nie “na oko”, a konkretnie: w miligramach na decylitr.

A co jest najlepsze? Badacz chyba nie ukrywa swoich motywacji, bo nie myśli o użyciu horrendalnie drogich urządzeń, a najzwyczajniej w świecie o dedykowanych aplikacjach na urządzenia mobilne. Tatuaże medyczne, jako połączenie względnej łatwości aplikacji oraz użycia ekstremalnie powszechnych urządzeń (choćby smartfonów), mogłyby być dostępne dla znacznie większej liczby ludzi.

A więc znacząco zniwelować przepaść w dostępności diagnostyki i ograniczyć wykluczenie medyczne, bo nagle monitorowanie kilku podstawowych parametrów ciała byłoby na (dosłownie) wyciągnięcie ręki. A pamiętaj, że to dopiero początek – nikt nie mówi, że za kilka czy kilkanaście lat do tych trzech wskaźników (pH, glukoza, albumina) dr Yetisen i jego zespół nie dodadzą kolejnych parametrów.  Może w przyszłości tatuaże medyczne będą mogły monitorować również poziom elektrolitów, obecność markerów nowotworowych czy stężenie leków we krwi.

Mimo że sam jestem zachwycony kierunkiem takich badań, muszę studzić swój zapał. Badania Yetisena to dopiero początek drogi. Chociaż wizja „cyfrowej skóry” lub skóry jako interfejsu diagnostycznego wpisuje się w szerszy trend medycyny personalizowanej i zapobiegawczej, to jednak jesteśmy dopiero na starcie. Zanim takie innowacje zostałyby wprowadzone powszechnie – minęłyby lata, jeśli nie dekady.

Ale nie od razu Rzym zbudowano. Trzymajmy kciuki za te i inne badania, które mogą całej ludzkości przynieść lepsze zdrowie czy czasem wręcz uratować życie.