Ultralyd-innovasjoner muliggjør smertefri vaksinasjon, overvåker muskeldynamikk i sanntid – Physics World

Ultralyd-innovasjoner muliggjør smertefri vaksinasjon, overvåker muskeldynamikk i sanntid – Physics World

Tidsstempel: 15. desember 2023 8:00

Nålefri vaksinasjonskonsept
Nålefri vaksinasjonskonsept Ultralydpulser forårsaker akustisk kavitasjon, og genererer energiutbrudd som gir en vei for vaksinen gjennom huden. Tilnærmingen kan være spesielt nyttig for å levere DNA-vaksiner. (Med tillatelse: Darcy Dunn-Lawless)

De Akustikk 2023 Sydney konferansen, arrangert av Acoustical Society of America og Australian Acoustical Society, samlet akustikere, forskere, musikere og andre eksperter fra hele verden for å dele den siste utviklingen på feltet. Flere av de presenterte studiene beskrev innovative anvendelser av akustikk i helsevesenet, inkludert bruk av akustisk kavitasjon for nålfri vaksinelevering, og en bærbar ultralydsvinger som sporer muskeldynamikk under restitusjon etter skade.

Ultralyd muliggjør smertefri vaksinasjon

Darcy Dunn - Lovløs fra University of Oxford Institutt for biomedisinsk ingeniørfag beskrev bruken av ultralyd for nålefri levering av vaksiner.

Med sikte på å omgå frykten for nåler som mange voksne og mange flere barn lider av, utnytter Dunn-Lawless og kolleger en akustisk effekt kalt kavitasjon, der en lydbølge forårsaker dannelse og sprett av bobler. Når disse boblene kollapser, frigjør de et konsentrert utbrudd av mekanisk energi.

Tanken er å bruke disse energiutbruddene på tre måter: å fjerne passasjer gjennom det ytre laget av døde hudceller og la vaksinemolekyler passere gjennom; å aktivt tvinge vaksinemolekyler inn i kroppen; og å åpne opp cellemembraner inne i kroppen. For å øke kavitasjonsaktiviteten brukte forskerne partikler på nanometerstørrelse kalt proteinkavitasjonskjerner (PCaNs) - hovedsakelig koppformede proteinpartikler - for å støtte gassboblene.

I tester på mus sammenlignet forskerne immunresponsen generert av standard intradermal vaksinasjon av en DNA-vaksine versus kavitasjonstilnærmingen. For kavitasjonsbasert levering blandet de PCaN med DNA-vaksinen i et kammer plassert på dyrets hud og utsatt for ultralyd i to minutter.

De fant at konvensjonell injeksjon ga flere størrelsesordener flere vaksinemolekyler enn kavitasjonsmetoden. "Men det er her ting blir interessant," forklarte Dunn-Lawless på en pressekonferanse. "Når du ser på immunresponsen generert av begge disse leveringsmetodene, antistoffkonsentrasjonen, kan du se at kavitasjonsgruppen fikk en betydelig høyere immunrespons, selv om de mottok så mange færre vaksinemolekyler."

Han bemerket at dette var et spesielt spennende resultat, for det første fordi det bekrefter at det er mulig å levere vaksiner på denne måten. Men også fordi den viser at den nålefrie teknikken i teorien kan tillate kroppen å oppnå større immunrespons med mindre vaksine, noe som gjør vaksinasjonen mer effektiv.

Mekanismen som ligger til grunn for denne effekten er ennå ikke klar, men Dunn-Lawless antydet at det kan skyldes kavitasjonsaktivitet som åpner opp cellemembraner og slipper inn molekyler i cellene. Eller med andre ord, selv om færre molekyler kommer inn i kroppen, kommer de som gjør det på riktig sted. Dette kan være spesielt gunstig for DNA-vaksiner, som for tiden er vanskelige å levere da de trenger å komme inn i cellen for å fungere.

Overvåking av muskelgjenoppretting i sanntid

Gjenoppretting etter muskel- og skjelettskade kan være en lang og vanskelig prosess. Det er derfor viktig å spore en pasients fremgang når de gjennomgår rehabilitering og sakte gjenoppbygger muskelstyrken. Men direkte mål på muskelfunksjon under fysisk aktivitet er ikke lett tilgjengelig, og få medisinske teknologier kan brukes mens pasienten er i bevegelse, noe som kan hindre behandling og rehabilitering.

Trener med en bærbar ultralydmonitor
Vurdere muskeldynamikk En bærbar ultralydmonitor kan gi innsikt i dynamisk muskelbevegelse under aktiviteter som hopping. De nederste bildene viser ultralyd-tilbakemelding i sanntid under treningen. (Med tillatelse: Parag Chitnis)

Et alternativ er ultralyd, som kan gi ikke-invasive bilder av vev under huden og avsløre hvordan ulike muskelgrupper beveger seg og trekker seg sammen under dynamisk fysisk aktivitet. Tradisjonelle ultralydsystemer er imidlertid store og tungvinte, krever at pasienten er bundet til instrumentet, og bidrar dermed ikke til sanntidsavbildning under aktivitet.

So Parag Chitnis fra George Mason University og kolleger bestemte seg for å bygge sin egen ultralydenhet fra bunnen av. De designet et kompakt, bærbart ultralydsystem som beveger seg med pasienten og produserer klinisk relevant informasjon om muskelfunksjon under fysisk aktivitet.

For å gjøre dette utviklet forskerne ny ultralydteknologi som er avhengig av overføring av lavspente, langvarige chirps - i motsetning til de konvensjonelt brukte svært høyspente, kortvarige pulssekvensene. Dette gjorde dem i stand til å bruke billige elektroniske komponenter, som de som finnes i en bilradio, for å designe et enklere, bærbart ultralydsystem som kunne drives av batterier og festes til en pasient. De kaller den nye tilnærmingen SMART-US, eller simultan muskel- og skjelettvurdering med sanntidsultralyd.

Teamet testet tilnærmingen på en person som utførte motbevegelseshopp (en rutineøvelse for å evaluere helsen og funksjonen til underekstremiteter og kneledd) på en kraftplate med en ultralydsvinger festet til benet. SMART-US-enheten ga tilbakemelding i sanntid på nivået av muskelaktivering og funksjon under hoppene, med signifikant korrelasjon sett mellom kraftdata og ultralydmålinger. Chitnis la til at teknikken også kan brukes til å undersøke flere forskjellige muskler samtidig.

"Ultralydbasert biofeedback kan bidra til å tilpasse terapi og rehabilitering for å forbedre behandlingsresultater," forklarte han på en pressekonferanse. "Andre applikasjoner som vi ser for oss for teknologien vår inkluderer personlig kondisjon, atletisk trening og idrettsmedisin, militær helse, slagrehabilitering og vurdering av risikoen for fall i eldre befolkninger."

Det neste målet er teknologioverføring, å sette enheten gjennom FDA-godkjenning slik at teamet kan utføre kliniske studier for rehabilitering. Fremover ser Chitnis for seg at klinikker vil kunne kjøpe et system på grunnleggende nivå for bare noen få hundre dollar.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden