Исследователи из Северо-Западного университета и Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали новую, первую в своем роде наклейку, которая позволяет врачам следить за здоровьем органов и глубоких тканей пациентов с помощью простого ультразвукового устройства.
Прикрепляясь к органу, мягкая крошечная наклейка меняет форму в ответ на изменение уровня pH в организме, что может служить ранним признаком послеоперационных осложнений, таких как несостоятельность анастомоза. Затем клиницисты могут наблюдать эти изменения формы в режиме реального времени с помощью ультразвуковой визуализации.
В настоящее время ни один из существующих методов не может надежно и неинвазивно обнаружить несостоятельность анастомоза — опасное для жизни состояние, возникающее при выходе желудочно-кишечных жидкостей из пищеварительной системы. Выявляя утечку этих жидкостей с высокой чувствительностью и высокой специфичностью , неинвазивная наклейка может обеспечить более раннее вмешательство, чем это было возможно ранее. Затем, когда пациент полностью выздоравливает, биосовместимая, биорезорбируемая наклейка просто растворяется, минуя необходимость хирургического удаления.
В статье , опубликованной в журнале Science и озаглавленной «Исследование «Биорезорбируемые формы, адаптирующиеся структуры для ультразвукового мониторинга глубокотканного гомеостаза», приводятся оценки на моделях мелких и крупных животных для проверки трех различных типов наклеек, изготовленных из гидрогелевых материалов, специально разработанных для этих целей. за способность обнаруживать несостоятельность анастомозов из желудка, тонкой кишки и поджелудочной железы.
Посмотрите, как наклейка набухает в ответ на кислые жидкости. Предоставлено: Северо-Западный университет.
«Эти утечки могут возникать из-за тонких перфораций в ткани, часто в виде незаметных промежутков между двумя сторонами хирургического разреза», — сказал Джон А. Роджерс из Northwestern, который руководил разработкой устройства вместе с научным сотрудником Цзяци Лю.
«Эти типы дефектов невозможно увидеть непосредственно с помощью ультразвуковых инструментов. Они также не обнаруживаются даже с помощью самых сложных КТ и МРТ. Мы разработали инженерный подход и набор передовых материалов для удовлетворения этой неудовлетворенной потребности в мониторинге пациентов. Технология имеет потенциал для устранения рисков, снижения затрат и расширения доступности быстрых, неинвазивных оценок для улучшения результатов лечения пациентов».
«На данный момент не существует хорошего способа обнаружить подобные утечки», — сказал желудочно-кишечный хирург доктор Чет Хэммилл, который руководил клинической оценкой и исследованиями на животных моделях в Вашингтонском университете вместе с соавтором доктором Мэтью Макьюэном, доцентом кафедры нейрохирургии. .
«Большинство операций на брюшной полости — когда приходится что-то удалять и сшивать обратно — сопряжены с риском подтекания. Мы не можем полностью предотвратить эти осложнения, но, возможно, мы сможем предотвратить их раньше, чтобы минимизировать вред. Даже если мы Если мы сможем обнаружить утечку на 24 или 48 часов раньше, мы сможем выявить осложнения до того, как пациенту станет действительно плохо. Эта новая технология может полностью изменить способ наблюдения за пациентами после операции».
Пионер биоэлектроники, Роджерс является профессором материаловедения и инженерии Луи Симпсона и Кимберли Куэрри, биомедицинской инженерии и неврологической хирургии, имеет должности в Инженерной школе Маккормика и Медицинской школе Фейнберга Северо-Западного университета. Он также возглавляет Институт биоэлектроники Куэрри Симпсона. На момент исследования Хэммилл был доцентом кафедры хирургии Вашингтонского университета. Роджерс, Хэммилл и Макьюэн руководили исследованием вместе с Хелинг Ван, доцентом Университета Цинхуа в Пекине.
Важность раннего прихода
Все операции на желудочно-кишечном тракте сопряжены с риском несостоятельности анастомоза. По словам Хэммилла, если утечка не обнаружена достаточно рано, у пациента есть 30% вероятность провести до шести месяцев в больнице и 20% вероятность умереть. Для пациентов, восстанавливающихся после операции на поджелудочной железе, риски еще выше. Хэммилл говорит, что ошеломляющие 40–60% пациентов страдают от осложнений после операций на поджелудочной железе.
Самая большая проблема заключается в том, что невозможно предсказать, у кого разовьются такие осложнения. И к тому времени, когда у пациента появляются симптомы, он уже очень болен.
«У пациентов могут наблюдаться некоторые смутные симптомы, связанные с утечкой», — сказал Хэммилл. «Но они только что перенесли серьезную операцию, поэтому трудно понять, являются ли симптомы ненормальными. Если мы сможем обнаружить это раньше, мы сможем слить жидкость. Если мы поймаем это позже, пациент может заболеть сепсисом и оказаться в больнице». В отделении интенсивной терапии пациентам с раком поджелудочной железы, возможно, осталось жить только шесть месяцев. Теперь они проводят половину этого времени в больнице».
В поисках улучшения результатов лечения своих пациентов Хэммилл связался с Роджерсом, чья лаборатория специализируется на разработке инженерных решений для решения проблем со здоровьем. Команда Роджерса уже разработала набор биорезорбируемых электронных устройств, которые будут использоваться в качестве временных имплантатов, включая растворяющиеся кардиостимуляторы, нервные стимуляторы и вживляемые обезболивающие.
Биорезорбируемые системы вызвали интерес Хэммилла. Наибольшая вероятность развития несостоятельности анастомоза возникает через три дня или две недели после операции.
«Нам нравится наблюдать за пациентами на предмет осложнений в течение примерно 30 дней», — сказал Хэммилл. «Иметь устройство, которое прослужит месяц, а затем исчезнет, казалось идеальным».
Наблюдайте, как наклейка медленно растворяется на доброкачественные биосовместимые фрагменты. Предоставлено: Северо-Западный университет.
Усиливающий ультразвук
Роджерс предположил, что вместо разработки новых систем визуализации его команда могла бы усовершенствовать существующие методы визуализации, что позволит им «видеть» особенности, которые в противном случае были бы невидимы. Ультразвуковая технология уже имеет множество преимуществ: она недорогая, легкодоступная, не требует громоздкого оборудования и не подвергает пациентов радиации или другим рискам.
Но, конечно, есть существенный недостаток. Ультразвуковая технология, которая использует звуковые волны для определения положения, формы и структуры органов, не может надежно различать различные жидкости организма. Кровь и желудочная жидкость, например, выглядят одинаково.
«Акустические свойства вытекающих жидкостей очень похожи на свойства природных биожидкостей и окружающих тканей», — сказал Роджерс. «Однако клинические потребности требуют химической специфичности, выходящей за рамки фундаментальных механизмов, которые создают контраст на ультразвуковых изображениях».
В конечном итоге команда Роджерса разработала подход, позволяющий преодолеть это ограничение, используя крошечные сенсорные устройства, предназначенные для считывания данных с помощью ультразвуковой визуализации. В частности, они создали небольшую клейкую наклейку из гибкого, химически чувствительного, мягкого гидрогелевого материала. Затем они встроили крошечные металлические диски толщиной с бумагу в тонкие слои этого гидрогеля. Когда наклейка сталкивается с кислыми жидкостями, такими как желудочная кислота, она набухает. Когда наклейка сталкивается с едкими жидкостями, такими как жидкости поджелудочной железы, она сжимается.
Три варианта наклейки показаны рядом с четвертью для масштаба. Предоставлено: Северо-Западный университет.
Делаем невидимое видимым
Когда гидрогель набухает или сжимается в ответ на изменение pH, металлические диски либо раздвигаются, либо сближаются соответственно. Затем ультразвук может увидеть эти тонкие изменения в расположении.
«Поскольку акустические свойства металлических дисков сильно отличаются от свойств окружающей ткани, они обеспечивают очень сильный контраст на ультразвуковых изображениях», — сказал Роджерс. «Таким образом, мы можем, по сути, «пометить» орган для мониторинга». Поскольку потребность в мониторинге сохраняется только во время послеоперационного восстановления, команда Роджерса разработала эти наклейки из биорезорбируемых материалов. Они просто естественным образом и безвредно исчезают в организме после того, как в них больше нет необходимости.
Соавтор вычислений Юнган Хуанг, профессор машиностроения Яна и Марсии Ахенбах и профессор гражданского и экологического проектирования в Маккормике, использовал методы акустического и механического моделирования, чтобы помочь оптимизировать выбор материалов и компоновок устройств, чтобы обеспечить высокую видимость на ультразвуковых изображениях, даже для наклейки, расположенные в глубоких местах тела.
«КТ и МРТ просто делают снимок», — добавил Хэммилл. «Жидкость может быть видна на КТ-изображении, но после операции всегда остается скопление жидкости. Мы не знаем, действительно ли это утечка или нормальная брюшная жидкость. Информация, которую мы получаем от нового пластыря, гораздо более ценна». Если мы увидим, что pH изменился, значит, что-то не так».
Команда Роджерса создала наклейки разных размеров. Самый большой имеет диаметр 12 миллиметров, а самый маленький – всего 4 миллиметра в диаметре. Учитывая, что каждый из металлических дисков имеет размер 1 миллиметр или меньше, Роджерс понял, что рентгенологам может быть сложно оценить изображения вручную. Чтобы решить эту проблему, его команда также разработала программное обеспечение, которое может автоматически анализировать изображения и с высокой точностью обнаруживать любое относительное движение дисков.
Посмотрите, как исследователь наклеивает наклейку во время лапароскопической операции и с помощью шприца. Предоставлено: Северо-Западный университет.
Улучшение качества жизни
Чтобы оценить эффективность новой наклейки, команда Хэммилла протестировала ее на моделях как мелких, так и крупных животных. В ходе исследований ультразвуковая визуализация постоянно обнаруживала изменения в меняющей форму наклейке, даже когда она находилась на глубине 10 сантиметров внутри тканей. При воздействии жидкостей с аномально высоким или низким уровнем pH наклейка меняла свою форму в течение нескольких минут.
Роджерс и Хэммилл предполагают, что устройство можно имплантировать в конце хирургической процедуры. Или, поскольку оно маленькое и гибкое, устройство также помещается (свернуто) в шприц, с помощью которого врачи могут ввести метку в организм.
«Эти метки настолько маленькие, тонкие и мягкие, что хирурги могут легко размещать их в разных местах», — сказал Роджерс. «Например, если длина разреза составляет несколько сантиметров, массив этих меток можно разместить по всей длине участка, чтобы составить карту pH и точно определить место утечки».
«Очевидно, что это ранний прототип, но я могу представить конечный продукт, в котором в конце операции вы просто размещаете эти маленькие пластыри для мониторинга», — сказал Хэммилл. «Он выполняет свою работу, а затем полностью исчезает. Это может оказать огромное влияние на пациентов, время их выздоровления и, в конечном итоге, на качество их жизни».
Затем Роджерс и его команда изучают аналогичные метки, которые могли бы обнаружить внутреннее кровотечение или изменения температуры. «Обнаружение изменений pH — хорошая отправная точка», — сказал Роджерс. «Но эта платформа может быть распространена и на другие типы применений за счет использования гидрогелей, которые реагируют на другие изменения в местной химии, температуре или других свойствах, имеющих клиническое значение».
