Микроскопичен безжичен имплант измерва насищането с кислород на тъкани и органи в човешкото тяло

Инженери от Калифорнийския университет в Бъркли разработиха миниатюрен безжичен имплант, който осигурява измервания в реално време на насищането с кислород на човешките тъкани. Устройството е по-малко от калинка и се активира с ултразвукови вълни. С негова помощ лекарите могат да следят състоянието на пациенти с трансплантиран орган или тъкан и да реагират навреме, ако има индикации, че нивото на кислород в тях не е достатъчно, за да функционират нормално.

Работата на инженерния екип по създаването на иновативната технология за измерване насищането с кислород е подпомогната от лекари от Калифорнийския университет в Сан Франциско. Успехът им може да се окаже първа стъпка в разработването на много и различни по своето предназначение миниатюрни сензори, които да проследяват важни биохимични маркери в тялото като например ниво на pH или въглероден диоксид. Те ще позволят на лекарите да контролират биохимичните процеси в органи и тъкани, при това с помощта на минимално инвазивни методи.

Микел Махарбиц е професор по електрически инженеринг и компютърни науки към Калифорнийския университет в Бъркли. Според него „е много трудно тези показатели да бъдат измерени навътре в тялото.“ Уредът за определяне насищането с кислород е пример как чрез комбинацията от ултразвукова технология и много „умна“ интегрална схема могат да се създадат сложни импланти, които да доставят информация за функциите на органите.

Махарбиц е един от авторите на новото изследване, свързано с научното постижение, което е публикувано в списание „Nature Biotechnology.“

Защо кислородът е толкова важен за човешкото тяло?

Кислородът е ключов елемент, от който зависи способността на клетките да извлекат енергията от храната. Почти всички човешки тъкани се нуждаят от постоянно и относително стабилно количество кислород, за да оцелеят. Познатите днес методи за измерване насищането с кислород на тъканите дава информация само за процесите непосредствено под кожата. Причината е, че те се базират на електромагнитни вълни като инфрачервената светлина например, които проникват едва на няколко сантиметра под кожата или навътре в тъканта на даден орган.

Съществуват няколко форми на образна диагностика посредством магнитен резонанс, които могат да изчислят насищането на тъканите с кислород в дълбочина, но те изискват повече време и съответно изключват възможността за получаване на текуща информация.

Махарбиц започва да работи върху проектирането на миниатюрни импланти с ултразвукови вълни още през 2013 г. Тези вълни всъщност са форма на звук, който се характеризира с твърде голяма честота, за да бъде уловен от човешкото ухо. Те преминават през тялото, без да нанасят поражения, и достигат до много по-далечни точки, отколкото електромагнитните. Ултразвуковите вълни са в основата на ултразвуковата образна диагностика в медицината.

Друго устройство на принципа на ултразвуковите вълни е „Stimdust“, създадено от Рики Мюлер, асистент по електрически инженеринг и компютърни науки в Калифорнийския университет в Бъркли, което открива и стимулира възбуждането на електрическите сигнали, предавани между невроните в тялото.

Структура и принцип на действие на уреда за измерване на кислород в тъкани и органи

Имплантът, който измерва количеството кислород в тъканите и органите, е с размери 4,5 см дължина и 3 см ширина. Той е изграден от чувствително на кислород µLED покритие и оптичен филтър. Работата на двата елемента се контролира от интегрална схема. Благодарение на пиезоелектричния ефект електронният сигнал от интегралната схема се преобразува в ултразвукови вълни, които напълно безопасно преминават през тъканта.

Сонер Сонмезоглу е постдокторант по инженерингови науки към университета в Бъркли. Той решава да повиши капацитета на импланта, придавайки му свойството да открива наличие на кислород. Експертът интегрира в него сензор за кислород, като добавя източник на LED светлина, оптичен детектор и набор от по-сложни електронни контролни функции. Екипът тества устройството в мускули на жива овца.

Разлики между пулсоксиметър и уред за измерване насищането на тъкани с кислород

Сонмезоглу подчертава, че този тип сензори за кислород се различава от пулсоксиметрите, използвани за измерване сатурацията на кръвта. Вторите изчисляват количеството наситен с кислород хемоглобин в кръвта, а новото изобретение директно измерва концентрацията на кислород в тъканите.

Къде може да се използва иновативното устройство?

Трансплантация на органи

Едно от възможните приложение на технологията е при стриктното проследяване функциите на трансплантиран орган. Дори месеци след трансплантацията е възможно пациентът да получи съдови усложнения, а те да увредят присадения орган.

Хипоксия при установено туморно образувание

Уредът би бил полезен при измерване на хипоксията (недостиг на кислород в клетките) вследствие на тумор и при назначаването и провеждането на лъчетерапия при онкоболни.

Грижа за недоносени бебета

Членове на екипа са Джефри Файнман и Емин Малтепе, които, освен педиатри, са и членове на Инициативния комитет за създаване на лекарства и иновативни устройства за опазване на детското здраве. Те виждат в научното постижение възможност за проследяване феталното развитие на плода и подобряване грижите за недоносени бебета.

Малтепе уточнява: „Когато бебето е недоносено, често се налага да доставяме допълнително кислород, но не получаваме обратно информация за неговата концентрация. Ако можем да следим насищането с кислород, ще избегнем някои сериозни негативни последици, които води след себе си пренасищането като например ретинопатия на недоносеното или хронична белодробна болест.“

Според Сонмезоглу технологията може да бъде усъвършенствана, като се създаде подходящ корпус за самия сензор, който да позволи дългия му престой в тялото.

Намаляването на размерите му пък би улеснило неговото имплантиране, което към момента налага извършването на операция.

Експертът смята, че е възможно да се адаптира и оптичната платформа в сензора, така че да измерва и други биохимични показатели. Нейната промяна ще направи уреда по-широкоприложим, защото ще може да се използва за измерване на pH, активни форми на кислорода, глюкоза или въглероден диоксид.

Освен това, ако се намали още размерът му, имплантът ще може да се поставя само с инжекция или лапароскопска манипулация, което допълнително улеснява неговото поставяне.