Ultralydsinnovationer muliggør smertefri vaccination, overvåg muskeldynamikken i realtid – Physics World

Ultralydsinnovationer muliggør smertefri vaccination, overvåg muskeldynamikken i realtid – Physics World

Tidsstempel: 15. december 2023 kl. 8:00

Nålefri vaccinationskoncept
Nålefri vaccinationskoncept Ultralydsimpulser forårsager akustisk kavitation, der genererer energiudbrud, der danner en vej for vaccinen gennem huden. Fremgangsmåden kan være særlig nyttig til levering af DNA-vacciner. (Med høflighed: Darcy Dunn-Lawless)

Akustik 2023 Sydney konference, der var afholdt af Acoustical Society of America og Australian Acoustical Society, samlede akustikere, forskere, musikere og andre eksperter fra hele verden for at dele den seneste udvikling på området. Flere af de præsenterede undersøgelser beskrev innovative anvendelser af akustik i sundhedsvæsenet, herunder brugen af ​​akustisk kavitation til nålefri vaccinelevering og en bærbar ultralydstransducer, der sporer muskeldynamikken under restitution fra skade.

Ultralyd muliggør smertefri vaccination

Darcy Dunn - Lovløs fra University of Oxford's Institut for Biomedicinsk Teknik beskrev brugen af ​​ultralyd til nålefri levering af vacciner.

Med det formål at omgå frygten for nåle, som mange voksne og mange flere børn lider af, udnytter Dunn-Lawless og kolleger en akustisk effekt kaldet kavitation, hvor en lydbølge forårsager dannelse og spring af bobler. Når disse bobler kollapser, frigiver de et koncentreret udbrud af mekanisk energi.

Ideen er at bruge disse energiudbrud på tre måder: at rydde passager gennem det ydre lag af døde hudceller og tillade vaccinemolekyler at passere igennem; aktivt at tvinge vaccinemolekyler ind i kroppen; og at åbne op for cellemembraner inde i kroppen. For at øge kavitationsaktiviteten brugte forskerne nanometerstore partikler kaldet proteinkavitationskerner (PCaN'er) - i det væsentlige kopformede proteinpartikler - til at understøtte gasboblerne.

I test på mus sammenlignede forskerne immunresponset genereret af standard intradermal vaccination af en DNA-vaccine versus kavitationstilgangen. Til kavitationsbaseret levering blandede de PCaN'er med DNA-vaccinen i et kammer placeret på dyrets hud og udsat for ultralyd i to minutter.

De fandt ud af, at konventionel injektion leverede flere størrelsesordener flere vaccinemolekyler end kavitationsmetoden. "Men det er her, tingene bliver interessante," forklarede Dunn-Lawless på en pressekonference. "Når man ser på immunresponset genereret af begge disse leveringsmetoder, antistofkoncentrationen, kan man se, at kavitationsgruppen modtog et betydeligt højere immunrespons, selvom de modtog så mange færre vaccinemolekyler."

Han bemærkede, at dette er et særligt spændende resultat, for det første da det bekræfter, at det er muligt at levere vacciner på denne måde. Men også fordi den viser, at den nålefri teknik i teorien kan give kroppen mulighed for at opnå større immunrespons med mindre vaccine, hvilket gør vaccinationen mere effektiv.

Mekanismen bag denne effekt er endnu ikke klar, men Dunn-Lawless foreslog, at det kan skyldes kavitationsaktivitet, der åbner cellemembraner og tillader molekyler at komme ind i cellerne. Eller med andre ord, selvom færre molekyler kommer ind i kroppen, kommer de, der gør det, på det rigtige sted. Dette kan være særligt gunstigt for DNA-vacciner, som i øjeblikket er svære at levere, da de skal ind i cellen for at fungere.

Overvågning af muskelrestitution i realtid

Restitution fra muskel- og skeletskade kan være en lang og vanskelig proces. Det er derfor vigtigt at spore en patients fremskridt, mens de gennemgår rehabilitering og langsomt genopbygger muskelstyrken. Men direkte mål for muskelfunktion under fysisk aktivitet er ikke umiddelbart tilgængelige, og få medicinske teknologier kan bruges, mens patienten er i bevægelse, hvilket kan hindre behandling og genoptræning.

Træning med en bærbar ultralydsmonitor
Vurdering af muskeldynamik En bærbar ultralydsmonitor kan give indsigt i dynamisk muskelbevægelse under aktiviteter som at hoppe. De nederste billeder viser ultralydsfeedback i realtid under træningen. (Med høflighed: Parag Chitnis)

En mulighed er ultralyd, som kan give ikke-invasive billeder af væv under huden og afsløre, hvordan forskellige muskelgrupper bevæger sig og trækker sig sammen under dynamisk fysisk aktivitet. Traditionelle ultralydssystemer er imidlertid store og besværlige, kræver, at patienten er bundet til instrumentet og er således ikke befordrende for billeddannelse i realtid under aktivitet.

So Parag Chitnis fra George Mason University og kolleger besluttede at bygge deres egen ultralydsenhed fra bunden. De har designet et kompakt, bærbart ultralydssystem, der bevæger sig med patienten og producerer klinisk relevant information om muskelfunktion under fysisk aktivitet.

For at gøre dette udviklede forskerne ny ultralydsteknologi, der er afhængig af transmissionen af ​​lavspændings, langvarige chirps - i modsætning til de konventionelt brugte meget højspændings-, kortvarige pulssekvenser. Dette gjorde det muligt for dem at anvende billige elektroniske komponenter, som dem der findes i en bilradio, til at designe et enklere, bærbart ultralydssystem, der kunne drives af batterier og tilsluttes en patient. De kalder den nye tilgang SMART-US, eller simultan muskuloskeletal vurdering med ultralyd i realtid.

Holdet testede tilgangen på et forsøgsperson, der udfører modbevægelsesspring (en rutineøvelse til at evaluere sundheden og funktionen af ​​underekstremiteter og knæled) på en kraftplade med en ultralydstransducer fastgjort til deres ben. SMART-US-enheden gav feedback i realtid om niveauet af muskelaktivering og funktion under springene, med signifikant sammenhæng set mellem kraftdata og ultralydsmålinger. Chitnis tilføjede, at teknikken også kan bruges til at undersøge flere forskellige muskler samtidigt.

"Ultralyd-baseret biofeedback kan hjælpe med at tilpasse terapi og rehabilitering for at forbedre behandlingsresultater," forklarede han på en pressekonference. "Andre applikationer, som vi forestiller os for vores teknologi, omfatter personlig fitness, atletisk træning og sportsmedicin, militær sundhed, slagtilfælde-rehabilitering og vurdering af risikoen for fald i ældre befolkninger."

Det næste mål er teknologioverførsel, at sende enheden gennem FDA-godkendelse, så holdet kan udføre kliniske undersøgelser til rehabilitering. Fremover forudser Chitnis, at klinikker vil være i stand til at købe et system på basisniveau for blot et par hundrede dollars.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden