Adesivi ad ultrasuoni mutaforma per monitorare la salute

Sviluppato un nuovo adesivo unico nel suo genere che consente ai medici di monitorare la salute degli organi e dei tessuti profondi dei pazienti con un semplice dispositivo a ultrasuoni

Quando attaccato a un organo, l'adesivo morbido e minuscolo cambia forma in risposta ai cambiamenti dei livelli di pH del corpo, che possono servire come segnale di allarme precoce per complicazioni post-operatorie come perdite anastomotiche. I medici possono quindi visualizzare questi cambiamenti di forma in tempo reale attraverso l’imaging ecografico.

Attualmente, nessun metodo esistente è in grado di rilevare in modo affidabile e non invasivo le perdite anastomotiche, una condizione pericolosa per la vita che si verifica quando i fluidi gastrointestinali fuoriescono dal sistema digestivo. Rivelando la fuoriuscita di questi fluidi con elevata sensibilità ed elevata specificità, l'adesivo non invasivo può consentire interventi più tempestivi di quanto possibile in precedenza. Quindi, quando il paziente si è completamente ripreso, l'adesivo biocompatibile e bioriassorbibile si dissolve semplicemente, evitando la necessità di estrazione chirurgica.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science (1). L’articolo delinea le valutazioni su modelli animali piccoli e grandi per convalidare tre diversi tipi di adesivi realizzati con materiali idrogel su misura per la capacità di rilevare perdite anastomotiche dallo stomaco, dall’intestino tenue e dal pancreas.

Il dottor John A. Rogers (2), ricercatore della Northwestern University che ha guidato lo sviluppo del dispositivo con il collega post-dottorato Jiaqi Liu, dice: «Queste perdite possono derivare da sottili perforazioni nel tessuto, spesso come spazi impercettibili tra due lati di un'incisione chirurgica. Questi tipi di difetti non possono essere visti direttamente con gli strumenti di imaging ad ultrasuoni. Inoltre sfuggono al rilevamento anche da parte delle scansioni TC e MRI più sofisticate. Abbiamo sviluppato un approccio ingegneristico e una serie di materiali avanzati per rispondere a questa esigenza insoddisfatta nel monitoraggio dei pazienti. La tecnologia ha il potenziale per eliminare i rischi, ridurre i costi ed espandere l’accessibilità a valutazioni rapide e non invasive per migliorare i risultati dei pazienti».

«Al momento, non esiste un buon modo per rilevare questo tipo di perdite», ha affermato il chirurgo gastrointestinale Dr. Chet Hammill (3), che ha guidato la valutazione clinica e gli studi su modelli animali presso la Washington University con il collaboratore Dr. Matthew R. MacEwan (4), assistente professore di neurochirurgia. «La maggior parte delle operazioni all’addome – quando devi rimuovere qualcosa e ricucirlo insieme – comporta il rischio di perdite. Non possiamo prevenire completamente queste complicazioni, ma forse possiamo prenderle prima per ridurre al minimo i danni. Anche se potessimo rilevare una perdita 24 o 48 ore prima, potremmo individuare complicazioni prima che il paziente si ammali davvero. Questa nuova tecnologia ha il potenziale per cambiare completamente il modo in cui monitoriamo i pazienti dopo l’intervento chirurgico».

Pioniere della bioelettronica, Rogers è Louis Simpson e Kimberly Querrey professore di scienza e ingegneria dei materiali, ingegneria biomedica e chirurgia neurologica, con incarichi presso la McCormick School of Engineering e la Feinberg School of Medicine della Northwestern University. Dirige anche il Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Al momento della ricerca, Hammill era professore associato di chirurgia presso la Washington University. Rogers, Hammill e MacEwan hanno co-condotto la ricerca con Heling Wang, professore associato presso l'Università Tsinghua di Pechino.

L'importanza di essere in anticipo

Tutti gli interventi chirurgici gastrointestinali comportano il rischio di perdite anastomotiche. Se la perdita non viene rilevata abbastanza presto, secondo Hammill il paziente ha il 30% di possibilità di trascorrere fino a sei mesi in ospedale e il 20% di possibilità di morire. Per i pazienti che si stanno riprendendo da un intervento chirurgico al pancreas, i rischi sono ancora più elevati. Hammill afferma che uno sconcertante 40-60% dei pazienti soffre di complicazioni dopo interventi chirurgici al pancreas.

Il problema più grande è che non c’è modo di prevedere chi svilupperà tali complicazioni. E, nel momento in cui il paziente avverte i sintomi, è già incredibilmente malato.

«I pazienti potrebbero avere alcuni sintomi vaghi associati alla perdita», ha detto Hammill. «Ma hanno appena subito un grosso intervento chirurgico, quindi è difficile sapere se i sintomi sono anormali. Se riusciamo a prenderlo presto, potremo drenare il fluido. Se lo prendiamo più tardi, il paziente può prendere la sepsi e finire in terapia intensiva. I pazienti affetti da cancro al pancreas potrebbero avere solo sei mesi di vita così com’è. Ora trascorrono la metà del tempo in ospedale».

Alla ricerca di risultati migliori per i suoi pazienti, Hammill ha contattato Rogers, il cui laboratorio è specializzato nello sviluppo di soluzioni ingegneristiche per affrontare le sfide sanitarie. Il team di Rogers aveva già sviluppato una serie di dispositivi elettronici bioriassorbibili da utilizzare come impianti temporanei, tra cui pacemaker dissolventi, stimolatori nervosi e antidolorifici impiantabili.

I sistemi bioriassorbibili hanno suscitato l’interesse di Hammill. Le maggiori probabilità di sviluppare una perdita anastomotica si verificano tre giorni o due settimane dopo l'intervento.

«Ci piace monitorare i pazienti per le complicazioni per circa 30 giorni», ha detto Hammill. «Avere un dispositivo che dura un mese e poi scompare sembrava l'ideale».

Miglioramento degli ultrasuoni

Invece di sviluppare nuovi sistemi di imaging, Rogers ha ipotizzato che il suo team potrebbe essere in grado di migliorare gli attuali metodi di imaging, consentendo loro di “vedere” caratteristiche che altrimenti sarebbero invisibili. La tecnologia a ultrasuoni presenta già molti vantaggi: è poco costosa, facilmente disponibile, non richiede apparecchiature ingombranti e non espone i pazienti a radiazioni o altri rischi.

Ma, ovviamente, c’è un grosso inconveniente. La tecnologia a ultrasuoni – che utilizza le onde sonore per determinare la posizione, la forma e la struttura degli organi – non è in grado di distinguere in modo affidabile tra i vari fluidi corporei. Il sangue e il fluido gastrico, ad esempio, appaiono uguali.

«Le proprietà acustiche dei fluidi che fuoriescono sono molto simili a quelle dei biofluidi presenti in natura e dei tessuti circostanti», ha affermato Rogers. «La necessità clinica, tuttavia, richiede specificità chimica, oltre la portata dei meccanismi fondamentali che creano contrasto nelle immagini ecografiche».

Alla fine, il team di Rogers ha ideato un approccio per superare questa limitazione utilizzando minuscoli dispositivi 'sensore' progettati per essere leggibili mediante imaging ecografico. Nello specifico, hanno creato un piccolo adesivo per tessuti a partire da un materiale idrogel morbido, flessibile e chimicamente reattivo. Quindi, hanno incorporato minuscoli dischi metallici sottilissimi negli strati sottili di questo idrogel. Quando l'adesivo incontra liquidi fuoriusciti, si gonfia.

Rendere visibile l’invisibile

Quando l’idrogel si gonfia in risposta al cambiamento del pH, i dischi metallici si allontanano. Quindi, l'ecografia può visualizzare questi sottili cambiamenti nel posizionamento.

«Poiché le proprietà acustiche dei dischi metallici sono molto diverse da quelle del tessuto circostante, forniscono un contrasto molto forte nelle immagini ecografiche», ha affermato Rogers. «In questo modo, possiamo essenzialmente ‘etichettare’ un organo per il monitoraggio».

Poiché la necessità di monitoraggio si estende solo durante il recupero postoperatorio, il team di Rogers ha progettato questi adesivi con materiali bioriassorbibili. Scompaiono semplicemente in modo naturale e innocuo nel corpo quando non sono più necessari.

Il collaboratore computazionale Yonggang Huang (5), professore di ingegneria meccanica di Jan e Marcia Achenbach e professore di ingegneria civile e ambientale presso McCormick, ha utilizzato tecniche di simulazione acustica e meccanica per guidare le scelte ottimizzate nei materiali e nella disposizione dei dispositivi per garantire un'elevata visibilità nelle immagini ecografiche, anche per adesivi situati in posizioni profonde all'interno del corpo.

«Le scansioni TC e MRI scattano semplicemente una foto», ha aggiunto Hammill. «Il fluido potrebbe apparire in un’immagine TC, ma ci sono sempre raccolte di liquidi dopo l’intervento chirurgico. Non sappiamo se si tratti effettivamente di una perdita o di normale liquido addominale. Le informazioni che otteniamo dalla nuova patch sono molto, molto più preziose. Se riusciamo a vedere che il pH è alterato, allora sappiamo che qualcosa non va bene».

Il team Rogers ha costruito adesivi di varie dimensioni. Il più grande misura 12 millimetri di diametro, mentre il più piccolo ha un diametro di soli 4 millimetri. Considerando che i dischi metallici sono ciascuno di 1 millimetro o più piccoli, Rogers si è reso conto che potrebbe essere difficile per i radiologi valutare manualmente le immagini. Per superare questa sfida, il suo team ha anche sviluppato un software in grado di analizzare automaticamente le immagini per rilevare con elevata precisione qualsiasi movimento relativo dei dischi.

Migliorare la qualità della vita

Per valutare l’efficacia del nuovo adesivo, il team di Hammill lo ha testato su modelli animali sia di piccole che di grandi dimensioni. Negli studi, l’imaging ecografico ha rilevato costantemente cambiamenti nell’adesivo che cambia forma, anche quando si trovava a 10 centimetri di profondità all’interno dei tessuti. Se esposto a fluidi con livelli di pH anormalmente alti o bassi, l'adesivo alterava la sua forma in pochi minuti.

Rogers e Hammill immaginano che il dispositivo possa essere impiantato al termine di un intervento chirurgico. Oppure, poiché è piccolo e flessibile, il dispositivo si inserisce (arrotolato) anche all’interno di una siringa, che i medici possono utilizzare per iniettare il tag nel corpo.

«Questi tag sono così piccoli, sottili e morbidi che i chirurghi possono facilmente posizionarne raccolte in luoghi diversi», ha detto Rogers. «Ad esempio, se un'incisione si estende per pochi centimetri in lunghezza, una serie di questi tag può essere posizionata lungo la lunghezza del sito per sviluppare una mappa del pH con lo scopo di localizzare con precisione la posizione della perdita».

«È ovviamente un prototipo iniziale, ma posso immaginare il prodotto finale in cui, alla fine dell'intervento, si posizionano semplicemente questi piccoli cerotti per il monitoraggio», ha detto Hammill. «Fa il suo lavoro e poi scompare completamente. Ciò potrebbe avere un enorme impatto sui pazienti, sui loro tempi di recupero e, in definitiva, sulla loro qualità di vita».

Rogers è membro del Chemistry of Life Processes Institute, del Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center della Northwestern University e dell'International Institute for Nanotechnology. Lo studio, “Bioresorbable shape-adaptive structures for ultrasonic monitoring of deep-tissue homeostasis”, è stato sostenuto dalla National Science Foundation, dal National Cancer Institute e dal Querrey-Simpson Institute for Bioelectronics.

Riferimenti:

(1) Bioresorbable shape-adaptive structures for ultrasonic monitoring of deep-tissue homeostasis

(2) John A. Rogers

(3) Chet Hammill

(4) Matthew R. MacEwan

(5) Yonggang Huang

Descrizione foto: Tre varianti del dispositivo adesivo a ultrasuoni morbido e flessibile visualizzato su un dito. - Credit: Jiaqi Liu.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Shape-shifting ultrasound stickers detect post-surgical complications