Крошечный кислородный имплантат может измерять уровень кислорода в тканях в режиме реального времени
Крошечный беспроводной имплант, разработанный инженерами Калифорнийского университета в Беркли , может в реальном времени измерять уровень кислорода в тканях глубоко под кожей.Устройство меньше, чем средняя божья коровка, и управляется ультразвуковыми волнами. Это может позволить врачам отслеживать состояние пересаженной ткани или органов и предупреждать о возможной неудаче трансплантации.
Технология была разработана в сотрудничестве с врачами из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и открывает двери для разработки ряда миниатюрных датчиков, способных отслеживать другие важные биохимические маркеры в организме, такие как углекислый газ или pH.
В будущем эти датчики могут предложить врачам минимально инвазивные методы мониторинга биохимии в функционирующих тканях и органах.
Очень сложно измерить вещи глубоко внутри тела. Устройство демонстрирует, как, используя ультразвуковую технологию в сочетании с очень продуманной конструкцией интегральной схемы, вы можете создавать сложные имплантаты, которые проникают очень глубоко в ткань для получения данных от органов .
Мишель Махарбиз, профессор электротехники и компьютерных наук, Калифорнийский университет, Беркли
Махарбиз, который также является исследователем биохаба Чана Цукерберга, является старшим автором новой статьи, опубликованной в журнале Nature Biotechnology и описывающей устройство.
Кислород является важнейшим компонентом, имеющим решающее значение для клеток, которые извлекают энергию из пищи, которую едят люди, и почти все ткани в организме нуждаются в постоянном снабжении, чтобы выжить. Большинство методов, используемых для измерения оксигенации тканей, могут предложить только информацию, относящуюся к тому, что происходит вблизи поверхности тела.
Это связано с тем, что эти методы зависят от электромагнитных волн (например, инфракрасного света), которые могут проникать всего на несколько сантиметров в ткань или кожу органа. Хотя другие виды магнитно-резонансной томографии могут предоставить информацию, относящуюся к насыщению кислородом глубоких тканей, для них требуется длительное время сканирования, и поэтому они не могут предоставлять данные в режиме реального времени.С 2013 года Maharbiz разрабатывает миниатюрные имплантаты, работающие на ультразвуковых волнах, для беспроводной связи с внешним миром. Ультразвуковые волны — это звук очень высокой частоты, который может восприниматься человеческим ухом.
Они могут безвредно проникать через тело на значительно большие расстояния по сравнению с электромагнитными волнами и уже являются основой технологии ультразвуковой визуализации, используемой в медицине.
Stimdust, устройство, разработанное в сотрудничестве с Рикки Мюллером, доцентом кафедры электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли, является одним из таких примеров со способностью обнаруживать и активировать электрические нервные импульсы в организме.
Усилия по расширению возможностей имплантата для включения датчика кислорода возглавлялись Сонером Сонмезоглу, научным сотрудником инженерного факультета Калифорнийского университета в Беркли. Для интеграции кислородного датчика необходимо встроить в крошечное устройство светодиодный источник света и оптический детектор, а также собрать более сложный набор электронных элементов управления для запуска и считывания показаний датчика.
Ученые проверили устройство, отслеживая уровень кислорода в мышцах живых овец.
Сонмезоглу указывает, что датчик кислорода этого типа отличается от пульсоксиметров, используемых для измерения насыщения крови кислородом. Пульсоксиметры количественно определяют долю гемоглобина в крови, которая насыщена кислородом, тогда как новое устройство может напрямую измерять количество кислорода в ткани.
« Одно из возможных применений этого устройства — мониторинг трансплантации органов, потому что через несколько месяцев после трансплантации органов могут возникнуть сосудистые осложнения, и эти осложнения могут привести к дисфункции трансплантата» , — заявил Сонмезоглу. « Его также можно использовать для измерения гипоксии опухоли, что может помочь врачам направлять лучевую терапию рака ».
Джеффри Файнман и Эмин Малтепе, соавторы исследования и педиатры из UCSF и члены Инициативы по разработке педиатрических лекарств и устройств, участвовали в исследовании из-за его потенциала для мониторинга развития плода и ухода за недоношенными детьми.
«Например, у недоношенных детей нам часто требуется дополнительный кислород, но мы не имеем надежных тканевых показаний концентрации кислорода. Дополнительные миниатюрные версии этого устройства могут помочь нам лучше контролировать воздействие кислорода на наших недоношенных детей в отделениях интенсивной терапии и помочь минимизировать некоторые негативные последствия чрезмерного воздействия кислорода, такие как ретинопатия недоношенных или хронические заболевания легких» .
По словам Сонмезоглу, технологию можно дополнительно оптимизировать, разместив датчик таким образом, чтобы он мог работать в организме в течение длительного времени. Дальнейшая миниатюризация устройства также упростит процесс имплантации, который в настоящее время требует хирургического вмешательства.Он добавил, что оптическую платформу внутри датчика можно легко адаптировать для количественной оценки других биохимических процессов в организме.
«Просто изменив платформу, которую мы создали для датчика кислорода, вы можете модифицировать устройство для измерения, например, pH, активных форм кислорода, глюкозы или углекислого газа. Кроме того, если бы мы могли изменить упаковку, чтобы сделать ее меньше, вы могли бы представить себе возможность вводить инъекцию в тело с помощью иглы или с помощью лапароскопической хирургии, что сделало бы имплантацию еще проще «.
Поделиться
Источник