Ultraschall-Innovationen ermöglichen schmerzfreies Impfen, überwachen Muskeldynamik in Echtzeit – Physics World

Ultraschall-Innovationen ermöglichen schmerzfreies Impfen, überwachen Muskeldynamik in Echtzeit – Physics World

Zeitstempel: 15. Dezember 2023, 8:00 Uhr

Nadelfreies Impfkonzept
Nadelfreies Impfkonzept Ultraschallimpulse verursachen akustische Kavitation und erzeugen Energiestöße, die dem Impfstoff einen Weg durch die Haut ebnen. Der Ansatz könnte besonders hilfreich für die Bereitstellung von DNA-Impfstoffen sein. (Mit freundlicher Genehmigung von Darcy Dunn-Lawless)

Das Akustik 2023 Sydney Die von der Acoustical Society of America und der Australian Acoustical Society gemeinsam veranstaltete Konferenz brachte Akustiker, Forscher, Musiker und andere Experten aus der ganzen Welt zusammen, um die neuesten Entwicklungen auf diesem Gebiet auszutauschen. Mehrere der vorgestellten Studien beschrieben innovative Anwendungen der Akustik im Gesundheitswesen, darunter die Verwendung akustischer Kavitation für die nadelfreie Impfstoffabgabe und einen tragbaren Ultraschallwandler, der die Muskeldynamik während der Genesung nach einer Verletzung verfolgt.

Ultraschall ermöglicht eine schmerzfreie Impfung

Darcy Dunn-Lawless von der Universität Oxford Institut für Biomedizinische Technik beschrieb die Verwendung von Ultraschall zur nadelfreien Verabreichung von Impfstoffen.

Um die Angst vor Nadeln zu umgehen, unter der viele Erwachsene und viele weitere Kinder leiden, nutzen Dunn-Lawless und Kollegen einen akustischen Effekt namens Kavitation, bei dem eine Schallwelle die Bildung und das Platzen von Blasen verursacht. Wenn diese Blasen kollabieren, setzen sie einen konzentrierten Ausbruch mechanischer Energie frei.

Die Idee besteht darin, diese Energiestöße auf drei Arten zu nutzen: um Passagen durch die äußere Schicht von abgestorbenen Hautzellen zu befreien und den Durchgang von Impfstoffmolekülen zu ermöglichen; um Impfstoffmoleküle aktiv in den Körper zu zwingen; und um die Zellmembranen im Körper zu öffnen. Um die Kavitationsaktivität zu steigern, verwendeten die Forscher nanometergroße Partikel, sogenannte Protein-Kavitationskerne (PCaNs), im Wesentlichen becherförmige Proteinpartikel, um die Gasblasen zu unterstützen.

In Tests an Mäusen verglichen die Forscher die Immunantwort, die durch eine standardmäßige intradermale Impfung eines DNA-Impfstoffs erzeugt wurde, mit dem Kavitationsansatz. Für die kavitationsbasierte Verabreichung vermischten sie PCaNs mit dem DNA-Impfstoff in einer Kammer, die auf der Haut des Tieres platziert und zwei Minuten lang Ultraschall ausgesetzt wurde.

Sie fanden heraus, dass die herkömmliche Injektion mehrere Größenordnungen mehr Impfstoffmoleküle lieferte als der Kavitationsansatz. „Aber hier wird es interessant“, erklärte Dunn-Lawless auf einer Pressekonferenz. „Wenn man sich die Immunantwort ansieht, die durch diese beiden Verabreichungsmethoden erzeugt wird, die Antikörperkonzentration, kann man sehen, dass die Kavitationsgruppe eine deutlich höhere Immunantwort erhielt, obwohl sie so viel weniger Impfstoffmoleküle erhielt.“

Er wies darauf hin, dass dies ein besonders aufregendes Ergebnis sei, da es erstens bestätige, dass es möglich sei, Impfstoffe auf diese Weise zu verabreichen. Aber auch, weil es zeigt, dass die nadelfreie Technik dem Körper theoretisch eine stärkere Immunantwort mit weniger Impfstoff ermöglichen kann, was die Impfung effizienter macht.

Der diesem Effekt zugrunde liegende Mechanismus ist noch nicht klar, aber Dunn-Lawless vermutet, dass er auf Kavitationsaktivität zurückzuführen sein könnte, die Zellmembranen öffnet und Molekülen den Eintritt in die Zellen ermöglicht. Mit anderen Worten: Obwohl weniger Moleküle in den Körper gelangen, gelangen diejenigen, die dies tun, an die richtige Stelle. Dies könnte besonders günstig für DNA-Impfstoffe sein, deren Verabreichung derzeit schwierig ist, da sie in die Zelle gelangen müssen, um zu wirken.

Überwachung der Muskelregeneration in Echtzeit

Die Genesung nach einer Muskel-Skelett-Verletzung kann ein langer und schwieriger Prozess sein. Daher ist es wichtig, die Fortschritte eines Patienten während der Rehabilitation und beim langsamen Wiederaufbau der Muskelkraft zu verfolgen. Direkte Messungen der Muskelfunktion während körperlicher Aktivität sind jedoch nicht ohne weiteres verfügbar, und während der Bewegung des Patienten können nur wenige medizinische Technologien eingesetzt werden, was die Behandlung und Rehabilitation behindern kann.

Training mit einem tragbaren Ultraschallmonitor
Beurteilung der Muskeldynamik Ein tragbarer Ultraschallmonitor kann Einblick in die dynamische Muskelbewegung bei Aktivitäten wie Springen geben. Die unteren Bilder zeigen Echtzeit-Ultraschall-Feedback während der Übung. (Mit freundlicher Genehmigung von Parag Chitnis)

Eine Möglichkeit ist die Ultraschalluntersuchung, die nicht-invasive Bilder des Gewebes unter der Haut liefern und zeigen kann, wie sich verschiedene Muskelgruppen bei dynamischer körperlicher Aktivität bewegen und zusammenziehen. Herkömmliche Ultraschallsysteme sind jedoch groß und unhandlich, erfordern die Anbindung des Patienten an das Instrument und eignen sich daher nicht für die Echtzeitbildgebung während der Aktivität.

So Parag Chitnis von der George Mason University und Kollegen beschlossen, ihr eigenes Ultraschallgerät von Grund auf zu bauen. Sie entwickelten ein kompaktes tragbares Ultraschallsystem, das sich mit dem Patienten bewegt und klinisch relevante Informationen über die Muskelfunktion bei körperlicher Aktivität liefert.

Zu diesem Zweck entwickelten die Forscher eine neue Ultraschalltechnologie, die auf der Übertragung von Chirps mit niedriger Spannung und langer Dauer basiert – im Gegensatz zu den herkömmlich verwendeten Impulssequenzen mit sehr hoher Spannung und kurzer Dauer. Dies ermöglichte ihnen die Verwendung kostengünstiger elektronischer Komponenten, wie sie in einem Autoradio zu finden sind, um ein einfacheres, tragbares Ultraschallsystem zu entwickeln, das mit Batterien betrieben und am Patienten befestigt werden konnte. Sie nennen den neuen Ansatz SMART-US oder die gleichzeitige Beurteilung des Bewegungsapparates mit Echtzeit-Ultraschall.

Das Team testete den Ansatz an einer Testperson, die Gegenbewegungssprünge (eine Routineübung zur Beurteilung der Gesundheit und Funktion der unteren Gliedmaßen und Kniegelenke) auf einer Kraftmessplatte ausführte, an deren Bein ein Ultraschallwandler befestigt war. Das SMART-US-Gerät lieferte Echtzeit-Feedback über den Grad der Muskelaktivierung und -funktion während der Sprünge, wobei eine signifikante Korrelation zwischen Kraftdaten und Ultraschallmessungen festgestellt wurde. Chitnis fügte hinzu, dass die Technik auch zur gleichzeitigen Untersuchung mehrerer verschiedener Muskeln eingesetzt werden könne.

„Ultraschallbasiertes Biofeedback kann dabei helfen, Therapie und Rehabilitation zu personalisieren und so die Behandlungsergebnisse zu verbessern“, erklärte er auf einer Pressekonferenz. „Weitere Anwendungen, die wir uns für unsere Technologie vorstellen, umfassen persönliche Fitness, sportliches Training und Sportmedizin, militärische Gesundheit, Schlaganfall-Rehabilitation und die Bewertung des Sturzrisikos bei älteren Menschen.“

Das nächste Ziel ist der Technologietransfer, um das Gerät einer FDA-Zulassung zu unterziehen, damit das Team klinische Studien zur Rehabilitation durchführen kann. Für die Zukunft geht Chitnis davon aus, dass Kliniken in der Lage sein werden, ein Basissystem für nur ein paar hundert Dollar zu erwerben.

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