חוקרים בראשות אוניברסיטת נורת'ווסטרן ובית הספר לרפואה של אוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס פיתחו מדבקה חדשה, ראשונה מסוגה, המאפשרת לרופאים לנטר את בריאות האיברים והרקמות העמוקות של המטופלים באמצעות מכשיר אולטרסאונד פשוט.
בהצמדה לאיבר, המדבקה הרכה והזעירה משנה את צורתה בתגובה לרמות ה-pH המשתנות בגוף, מה שיכול לשמש סימן אזהרה מוקדם לסיבוכים לאחר ניתוח כמו דליפות אנסטומוטיות. לאחר מכן, רופאים יכולים לצפות בשינויי צורה אלה בזמן אמת באמצעות הדמיית אולטרסאונד.
נכון לעכשיו, אין שיטות קיימות שיכולות לזהות באופן אמין ולא פולשני דליפות אנסטומוטיות -; מצב מסכן חיים המתרחש כאשר נוזלי מערכת העיכול בורחים ממערכת העיכול. על ידי חשיפת דליפה של נוזלים אלו ברגישות גבוהה ובסגוליות גבוהה, המדבקה הלא פולשנית יכולה לאפשר התערבויות מוקדמות יותר ממה שניתן היה בעבר. לאחר מכן, כאשר המטופל החלים לחלוטין, המדבקה הביולוגית הניתנת לספיגה פשוט מתמוססת משם -; עקיפת הצורך בחילוץ ניתוחי.
המחקר יתפרסם ביום שישי (8 במרץ) בכתב העת מַדָע. המאמר מתאר הערכות על פני מודלים של בעלי חיים קטנים וגדולים כדי לאמת שלושה סוגים שונים של מדבקות העשויות מחומרי הידרוג'ל המותאמים ליכולת לזהות דליפות אנסטומוטיות מהקיבה, מהמעי הדק ומהלבלב.
"דליפות אלו יכולות לנבוע מנקבים עדינים ברקמה, לעתים קרובות כמרווחים בלתי מורגשים בין שני הצדדים של חתך כירורגי", אמר ג'ון א. רוג'רס של נורת'ווסטרן, שהוביל את פיתוח המכשיר עם עמית פוסט-דוקטורט Jiaqi Liu. "לא ניתן לראות את סוגי הליקויים האלה ישירות בכלי הדמיה באולטרסאונד. הם גם בורחים מזיהוי אפילו בסריקות CT ו-MRI המתוחכמות ביותר. פיתחנו גישה הנדסית ומערך חומרים מתקדמים כדי לתת מענה לצורך הבלתי מסופק הזה בניטור המטופלים. הטכנולוגיה יש פוטנציאל לחסל סיכונים, להפחית עלויות ולהרחיב את הנגישות להערכות מהירות ולא פולשניות לשיפור תוצאות המטופל".
"כרגע, אין דרך טובה לגלות דליפות מסוג זה", אמר מנתח מערכת העיכול ד"ר צ'ט האמיל, שהוביל את ההערכה הקלינית ומחקרי מודלים של בעלי חיים באוניברסיטת וושינגטון עם משתף הפעולה ד"ר מתיו מקיואן, עוזר פרופסור לנוירוכירורגיה . "רוב הניתוחים בבטן -; כאשר אתה צריך להסיר משהו ולתפור אותו בחזרה – טומן בחובו סיכון של דליפה. אנחנו לא יכולים למנוע לחלוטין את הסיבוכים האלה, אבל אולי נוכל לתפוס אותם מוקדם יותר כדי למזער את הנזק. אפילו אם היינו יכולים לזהות דליפה 24 או 48 שעות קודם לכן, נוכל לתפוס סיבוכים לפני שהמטופל יחלה באמת. לטכנולוגיה החדשה הזו יש פוטנציאל לשנות לחלוטין את הדרך בה אנו עוקבים אחר מטופלים לאחר הניתוח".
רוג'רס, חלוץ ביו-אלקטרוניקה, הוא פרופסור לואיס סימפסון וקימברלי קווירי למדע והנדסת חומרים, הנדסה ביו-רפואית וכירורגיה נוירולוגית, עם מינויים בבית הספר להנדסה מקורמיק ובבית הספר לרפואה של אוניברסיטת נורת'ווסטרן פיינברג. הוא גם מנהל את מכון קווירי סימפסון לביו-אלקטרוניקה. בזמן המחקר, האמיל היה פרופסור חבר לכירורגיה באוניברסיטת וושינגטון. רוג'רס, האמיל ומקיואן הובילו את המחקר יחד עם הלינג וואנג, פרופסור חבר באוניברסיטת טסינגואה בבייג'ינג.
החשיבות של להיות מוקדם
כל ניתוחי מערכת העיכול טומנים בחובם סיכון לדליפות אנסטומוטיות. אם הדליפה לא מתגלה מוקדם מספיק, למטופל יש סיכוי של 30% לבלות עד שישה חודשים בבית החולים וסיכוי של 20% למות, לפי האמיל. עבור חולים המתאוששים מניתוח לבלב, הסיכונים גבוהים אף יותר. האמיל אומר ש-40-60% מהחולים סובלים מסיבוכים לאחר ניתוחים הקשורים ללבלב.
הבעיה הגדולה ביותר היא שאין דרך לחזות מי יפתח סיבוכים כאלה. ובזמן שהמטופל חווה תסמינים, הם כבר חולים להפליא.
"ייתכן שלמטופלים יהיו כמה תסמינים מעורפלים הקשורים לדליפה", אמר האמיל. "אבל הם בדיוק עברו ניתוח גדול, אז קשה לדעת אם הסימפטומים לא תקינים. אם נוכל לתפוס את זה מוקדם, אז נוכל לנקז את הנוזל. אם נתפוס את זה מאוחר יותר, החולה יכול לקבל אלח דם ולגמור לטיפול נמרץ. עבור חולים עם סרטן הלבלב, ייתכן שיהיו להם רק שישה חודשים לחיות כפי שהוא. כעת, הם מבלים חצי מהזמן הזה בבית החולים".
בחיפוש אחר תוצאות משופרות עבור המטופלים שלו, האמיל יצר קשר עם רוג'רס, שהמעבדה שלו מתמחה בפיתוח פתרונות הנדסיים להתמודדות עם אתגרי בריאות. הצוות של רוג'רס כבר פיתח חבילה של מכשירים אלקטרוניים הניתנים לספיגה ביולוגית כדי לשמש כשתלים זמניים, כולל קוצבי לב ממיסים, ממריצים עצביים ומשככי כאבים הניתנים להשתלה.
המערכות הניתנות לספיגה ביולוגית עוררו את העניין של האמיל. הסיכויים הגדולים ביותר לפתח דליפה אנסטומוטית מתרחשים שלושה ימים או שבועיים לאחר הניתוח.
"אנחנו אוהבים לעקוב אחר חולים לסיבוכים במשך כ-30 יום", אמר האמיל. "להחזיק במכשיר שמחזיק מעמד חודש ואז נעלם נשמע אידיאלי".
שיפור אולטרסאונד
במקום לפתח מערכות הדמיה חדשות, רוג'רס שיער שהצוות שלו יוכל לשפר את שיטות ההדמיה הנוכחיות -; מה שמאפשר להם "לראות" תכונות שאחרת היו בלתי נראות. לטכנולוגיית האולטרסאונד יש כבר יתרונות רבים: היא זולה, זמינה, אינה דורשת ציוד מסורבל ואינה חושפת את המטופלים לקרינה או סיכונים אחרים.
אבל, כמובן, יש חיסרון גדול. טכנולוגיית אולטרסאונד -; אשר משתמשת בגלי קול כדי לקבוע את המיקום, הצורה והמבנה של איברים -; אינו יכול להבדיל באופן אמין בין נוזלי גוף שונים. דם ונוזל קיבה, למשל, נראים אותו הדבר.
"המאפיינים האקוסטיים של הנוזלים הדולפים דומים מאוד לאלו של נוזלים ביולוגיים והרקמות הסובבות אותם", אמר רוג'רס. "הצורך הקליני, לעומת זאת, דורש ספציפיות כימית, מעבר להיקף המנגנונים הבסיסיים היוצרים ניגודיות בתמונות אולטרסאונד."
בסופו של דבר, הצוות של רוג'רס הגה גישה להתגבר על מגבלה זו על ידי שימוש בהתקני חיישנים זעירים שנועדו להיות קריאים באמצעות הדמיית אולטרסאונד. באופן ספציפי, הם יצרו מדבקה קטנה ודביקה לרקמות מחומר הידרוג'ל רך, גמיש, מגיב כימית. לאחר מכן, הם הטמיעו דיסקיות מתכת זעירות ודקות נייר לתוך השכבות הדקות של ההידרוג'ל הזה. כאשר המדבקה נתקלת בנוזלים חומציים, כמו חומצת קיבה, היא מתנפחת. כאשר המדבקה נתקלת בנוזלים קאוסטיים, כמו נוזלי הלבלב, היא מתכווצת.
הפיכת הבלתי נראה לגלוי
כאשר ההידרוג'ל מתנפח או מתכווץ בתגובה לשינוי ב-pH, דסקיות המתכת נעות זו מזו או מתקרבות זו לזו, בהתאמה. לאחר מכן, האולטרסאונד יכול לראות את השינויים העדינים הללו במיקום.
"מכיוון שהתכונות האקוסטיות של דיסקות המתכת שונות בהרבה מאלו של הרקמה הסובבת, הן מספקות ניגודיות חזקה מאוד בתמונות אולטרסאונד", אמר רוג'רס. "בדרך זו, אנו יכולים בעצם 'תייג' איבר לניטור". מכיוון שהצורך בניטור נמשך רק במהלך התאוששות לאחר הניתוח, צוות רוג'רס עיצב את המדבקות הללו עם חומרים הניתנים לספיגה ביולוגית. הם פשוט נעלמים באופן טבעי ובלתי מזיק בגוף לאחר שכבר אין בהם צורך.
משתף הפעולה החישובי יונגגאנג הואנג, הפרופסור של יאן ומרסיה אכנבאך בהנדסת מכונות ופרופסור להנדסה אזרחית וסביבתית במקורמיק, השתמש בטכניקות סימולציה אקוסטית ומכאנית כדי לסייע בהנחיית בחירות מיטובות בחומרים ובפריסות מכשירים כדי להבטיח נראות גבוהה בתמונות אולטרסאונד, אפילו עבור מדבקות הממוקמות במיקומים עמוקים בתוך הגוף.
"סריקות CT ו-MRI פשוט מצלמים תמונה", הוסיף האמיל. "הנוזל עשוי להופיע בתמונת CT, אבל תמיד יש אוספי נוזלים לאחר הניתוח. אנחנו לא יודעים אם זה בעצם דליפה או נוזל בטן רגיל. המידע שאנחנו מקבלים מהמדבקה החדשה הוא הרבה הרבה יותר יקר. אם אנחנו יכולים לראות שה-pH משתנה, אז אנחנו יודעים שמשהו לא בסדר".
צוות רוג'רס בנה מדבקות בגדלים שונים. הקוטר הגדול ביותר הוא 12 מילימטרים, בעוד שהקטן ביותר הוא בקוטר של 4 מילימטרים בלבד. בהתחשב בכך שדיסקי המתכת הם כל אחד במילימטר אחד או יותר, רוג'רס הבין שעלול להיות קשה לרדיולוגים להעריך את התמונות באופן ידני. כדי להתגבר על האתגר הזה, הצוות שלו פיתח גם תוכנה שיכולה לנתח את התמונות באופן אוטומטי כדי לזהות בדיוק גבוה כל תנועה יחסית של הדיסקים.
שיפור איכות החיים
כדי להעריך את יעילות המדבקה החדשה, הצוות של האמיל בדק אותה במודלים של בעלי חיים קטנים וגדולים כאחד. במחקרים, הדמיית אולטרסאונד זיהתה באופן עקבי שינויים במדבקת שינוי הצורה -; אפילו כשהיה בעומק של 10 סנטימטרים בתוך רקמות. כאשר נחשפה לנוזלים עם רמות pH גבוהות או נמוכות באופן חריג, המדבקה שינתה את צורתה תוך דקות.
רוג'רס והאמיל מדמיינים שניתן להשתיל את המכשיר בתום הליך כירורגי. לחלופין, מכיוון שהוא קטן וגמיש, המכשיר גם מתאים (מגולגל) בתוך מזרק, שבו יכולים הרופאים להשתמש כדי להזריק את התג לגוף.
"התגים האלה כל כך קטנים ודקים ורכים שמנתחים יכולים בקלות למקם אוספים שלהם במקומות שונים", אמר רוג'רס. "לדוגמה, אם חתך מתארך באורך של כמה סנטימטרים, ניתן למקם מערך של תגים אלה לאורך האתר כדי לפתח מפה של pH לאיתור מדויק של מיקום הדליפה".
"זה כמובן אב טיפוס מוקדם, אבל אני יכול לדמיין את המוצר הסופי שבו, בסוף הניתוח, אתה פשוט מציב את המדבקות הקטנות האלה לניטור", אמר האמיל. "זה עושה את העבודה שלו ואז נעלם לחלוטין. לזה עשויה להיות השפעה עצומה על החולים, זמן ההחלמה שלהם ובסופו של דבר, איכות חייהם".
בשלב הבא, רוג'רס והצוות שלו בוחנים תגים דומים שיכולים לזהות דימום פנימי או שינויים בטמפרטורה. "זיהוי שינויים ב-pH הוא נקודת התחלה טובה", אמר רוג'רס. "אבל הפלטפורמה הזו יכולה להתרחב לסוגים אחרים של יישומים על ידי שימוש בהידרוג'לים המגיבים לשינויים אחרים בכימיה המקומית, או לטמפרטורה או למאפיינים אחרים בעלי רלוונטיות קלינית."
