Werk je niet in het zweet om met zweet je gezondheid te checken!

Het afnemen van een bloedmonster kan op zijn zachtst gezegd een traumatisch proces zijn. Sommige mensen zijn bang voor naalden, anderen zijn bang om bloed te zien en weer anderen zijn bang om flauw te vallen.

“Ik heb een kleine naaldenfobie en houd niet van het idee om bloed af te nemen met een naald. Dus ik ga ook liever niet helemaal naar een ziekenhuis voor bloedafname”, zegt Emma Moonen, promovenda aan de faculteit Mechanical Engineering.

De noodzaak van bloed

Het afnemen van bloed is vaak noodzakelijk, vooral wanneer medici precieze informatie over het lichaam nodig hebben. Deze informatie wordt achterhaald met zogenaamde biomarker-moleculen die gekoppeld zijn aan normale processen in het lichaam, maar ook kunnen wijzen op een aandoening of ziekte.

 “Het afnemen van bloed is invasief - er is geen ontkomen aan de naald”, zegt Moonen. “Daarnaast kost het medisch personeel tijd om het bloedmonster af te nemen, terwijl de patiënten naar een specifieke locatie moet reizen, wat soms ook niet ideaal voor hen is.”

Een bloedonderzoek is een moment opname en volgt biomarkers niet continu. “Het nemen van een bloedmonster levert een momentopname op van de concentratie biomarkers in het bloed op een bepaald moment in de tijd. Het is als een foto van de biomarkers in het bloed op één moment in de tijd in plaats van een film, die laat zien hoe de concentratie van biomarkers verandert in de tijd.”

Idealiter willen zowel zorgverleners als patiënten biomarkers monitoren op een niet-invasieve, continue en moeiteloze manier. Om dit doel te bereiken, richtte Moonen zich voor haar promotieonderzoek dus op een andere lichaamsvloeistof: zweet!

Kostbaar zweet!

“Het klinkt misschien raar om dit te zeggen, maar zweet is een waardevolle vloeistof”, zegt Moonen. “Het zit vol biomarkers en kan zonder te prikken verzameld worden aan iemands huidoppervlak. Het is perfect voor continue monitoring.”

Dit klinkt allemaal te mooi om waar te zijn. Maar tot nu toe is zweet in klinische omgevingen nog erg weinig benut als vloeistof voor gezondheidsmonitoring. Maar wat is zweet eigenlijk?

Zweet komt uit zweetklieren in de huid. Het menselijk lichaam heeft tussen de 1,6 en 5 miljoen zweetklieren. Zweet bestaat voornamelijk uit water, maar bevat ook verschillende andere bestanddelen zoals elektrolyten (natrium en kalium bijvoorbeeld), kleine hoeveelheden metalen (zoals zink en koper), maar ook glucose, ureum (een biomarker voor nierfalen) en cortisol (een biomarker voor stress). 

“Natuurlijk weten de meeste mensen dat het lichaam zweet produceert wanneer ze sporten. Dat is allemaal onderdeel van het werk dat het lichaam doet af te koelen”, zegt Moonen. “Maar het lichaam produceert ook kleine hoeveelheden zweet als iemand in rust is. En het zijn deze kleine hoeveelheden zweet die ik wilde verzamelen en efficiënt en nauwkeurig analyseren.”

Uitdagingen op de nanoliter

Tot nu toe zijn draagbare microstroming-apparaten gebruikt om zweet op te vangen van mensen die sporten of langdurig aan hoge temperaturen worden blootgesteld. “Een microstroming-apparaatje, gemaakt van bijvoorbeeld glas of plastic, bevat hele kleine kanaaltjes die minuscule hoeveelheden vloeistoffen kunnen transporteren, zoals water of - in het geval van mijn onderzoek – zweet”,  zegt Moonen.

Maar hoe minuscuul worden de vloeistofhoeveelheden? “In rust produceert een zweetklier 0,1 tot 1 nanoliter (nL) zweet per minuut”, zegt Moonen. Om dat in perspectief te zetten: als een klier 1 nL per minuut zou produceren, zou het bijna 2 jaar duren voordat die ene zweetklier een literfles met zweet heeft gevuld!

Gelukkig is het bij de huidige microstroming-apparaten voor zweetmonitoring niet de bedoeling om een literfles met zweet te vullen. “Hoewel de benodigde hoeveelheid zweet veel kleiner is dan een liter, kan het nog steeds uren, zo niet dagen, duren om de huidige microstroming-apparaten te vullen met de lage snelheid van 0,1 tot 1 nL per minuut per klier.”

De afgescheiden oplossing

Om de nanoliteruitdaging te overwinnen, ontwikkelden Moonen en haar medewerkers een gediscretiseerde microstroming-benadering om kleine hoeveelheden zweet op te vangen en zo bijna-continue en niet-invasieve gezondheidsmonitoring mogelijk te maken.

“In plaats van het zweet opvangen in één grote kamer, zoals bij een normaal microstroming-apparaat, bevat ons apparaat meerdere kleinere kamers. Deze kamers worden bovenop de huid geplaatst en kunnen elk gevuld worden met een paar nanoliter zweet. Als sommige kamers gevuld zijn, komt er zweet uit de kamers in het apparaat dankzij de druk van de klier.”

Nadat het zweet is aangekomen, breekt de technologie van Moonen het verzamelde zweet op in kleinere druppeltjes, die vervolgens verder worden getransporteerd met electrowetting-on-dielectrics (EWOD). “Dit verandert de bevochtigingseigenschappen van een oppervlak met behulp van een elektrisch veld.”

“Hierdoor kunnen de zweetdruppels op een gecontroleerde manier naar het midden van het apparaat worden verplaatst, waar de sensoren zich bevinden.”

“We hebben een 3D-geprinte vingerclip ontworpen om het apparaat aan de vingertop vast te klemmen. Het apparaat kan ook op de huid worden bevestigd met medische tape. Dit maakt het mogelijk om het apparaat aan verschillende delen van het lichaam te bevestigen, zoals een vinger of arm, om op verschillende plaatsen op het lichaam metingen te doen”, zegt Moonen.

Testen op kunstmatige en echte huid

Om de efficiëntie van het apparaat te testen, voerde Moonen een reeks tests uit. De eerste tests werden uitgevoerd met een kunsthuid.

“De kunsthuid is een huidlaag gemaakt van siliconenmateriaal dat behandeld is om de fysieke kenmerken van de menselijke huid na te bootsen. In de kunsthuid zijn ook nepzweetporiën geplaatst. De hele kunstmatige huid heeft dezelfde zweetklierdichtheid als een gezond persoon en kan dezelfde lage zweetfrequentie leveren als een persoon in rust.”

Na het testen van haar microstroming-apparaat op kunstmatige huid, testten Moonen en haar collega’s vervolgens hoe goed het microstroming-apparaat zweet verzamelt van de huid van verschillende menselijke proefpersonen als een proof-of-principle evaluatie van het apparaat.

Afscheid van naalden?

“We hebben hiermee een nauwkeurige manier ontwikkeld om de minuscule hoeveelheden zweet te analyseren die iemand in rust produceert. Als de techniek verder wordt ontwikkeld, kan dit een enorme impact hebben op het monitoren van de gezondheid van patiënten in ziekenhuizen.”

Voor Moonen is het vooruitzicht van het testen van zweet in plaats van bloed in ziekenhuizen nogal aantrekkelijk, vooral gezien haar ‘liefde’ voor naalden en het afnemen van bloed.

“Ik hoop dat mijn onderzoek zo snel mogelijk impact heeft op de klinische praktijk. Want dan hoef ik me in de toekomst minder zorgen te maken over naalden en bloedafname!”

Titel van Emma Moonen’s proefschrift: Discretised microfluidics for noninvasive health monitoring.

Promotoren: Jaap den Toonder en Jason Heikenfeld.