Ultraljudsinnovationer möjliggör smärtfri vaccination, övervakar muskeldynamiken i realtid – Physics World

Ultraljudsinnovationer möjliggör smärtfri vaccination, övervakar muskeldynamiken i realtid – Physics World

Tidsstämpel: 15 december 2023 8:00

Nålfritt vaccinationskoncept
Nålfritt vaccinationskoncept Ultraljudspulser orsakar akustisk kavitation, vilket genererar energiskurar som skapar en väg för vaccinet genom huden. Tillvägagångssättet kan vara särskilt användbart för att leverera DNA-vacciner. (Med tillstånd: Darcy Dunn-Lawless)

Smakämnen Akustik 2023 Sydney konferens, arrangerad av Acoustical Society of America och Australian Acoustical Society, samlade akustiker, forskare, musiker och andra experter från hela världen för att dela den senaste utvecklingen inom området. Flera av de presenterade studierna beskrev innovativa tillämpningar av akustik inom vården, inklusive användningen av akustisk kavitation för nålfri vaccintillförsel och en bärbar ultraljudsgivare som spårar muskeldynamiken under återhämtning från skada.

Ultraljud möjliggör smärtfri vaccination

Darcy Dunn-Lawless från University of Oxford Institutet för biomedicinsk teknik beskrev användningen av ultraljud för nålfri leverans av vacciner.

I syfte att kringgå rädslan för nålar som drabbas av många vuxna och många fler barn, utnyttjar Dunn-Lawless och kollegor en akustisk effekt som kallas kavitation, där en ljudvåg orsakar bildning och poppar av bubblor. När dessa bubblor kollapsar frigör de en koncentrerad skur av mekanisk energi.

Tanken är att använda dessa energiskurar på tre sätt: att rensa passager genom det yttre lagret av döda hudceller och låta vaccinmolekyler passera; att aktivt tvinga in vaccinmolekyler i kroppen; och att öppna upp cellmembran inuti kroppen. För att förbättra kavitationsaktiviteten använde forskarna nanometerstora partiklar som kallas proteinkavitationskärnor (PCaNs) - huvudsakligen koppformade proteinpartiklar - för att stödja gasbubblorna.

I tester på möss jämförde forskarna immunsvaret som genereras av standard intradermal vaccination av ett DNA-vaccin mot kavitationsmetoden. För kavitationsbaserad leverans blandade de PCaN med DNA-vaccinet i en kammare placerad på djurets hud och exponerades för ultraljud i två minuter.

De fann att konventionell injektion gav flera storleksordningar fler vaccinmolekyler än kavitationsmetoden. "Men det är här det blir intressant", förklarade Dunn-Lawless på en presskonferens. "När du tittar på immunsvaret som genereras av båda dessa leveransmetoder, antikroppskoncentrationen, kan du se att kavitationsgruppen fick ett betydligt högre immunsvar, även om de fick så många färre vaccinmolekyler."

Han noterade att detta är ett särskilt spännande resultat, för det första eftersom det bekräftar att det är möjligt att leverera vacciner på detta sätt. Men också för att den visar att den nålfria tekniken i teorin kan göra det möjligt för kroppen att uppnå ett större immunsvar med mindre vaccin, vilket gör vaccinationen mer effektiv.

Mekanismen bakom denna effekt är ännu inte klar, men Dunn-Lawless föreslog att det kan bero på kavitationsaktivitet som öppnar upp cellmembran och släpper in molekyler i cellerna. Eller med andra ord, även om färre molekyler kommer in i kroppen, kommer de som gör det på rätt plats. Detta kan vara särskilt fördelaktigt för DNA-vacciner, som för närvarande är svåra att leverera eftersom de behöver komma in i cellen för att fungera.

Övervakar muskelåterhämtning i realtid

Återhämtning från muskel- och skelettskada kan vara en lång och svår process. Det är därför viktigt att följa en patients framsteg när de genomgår rehabilitering och långsamt återuppbygger muskelstyrkan. Men direkta mått på muskelfunktion under fysisk aktivitet är inte lättillgängliga och få medicinska tekniker kan användas medan patienten är i rörelse, vilket kan hindra behandling och rehabilitering.

Tränar med en bärbar ultraljudsmonitor
Utvärdering av muskeldynamik En bärbar ultraljudsmonitor kan ge insikt i dynamisk muskelrörelse under aktiviteter som hoppning. De nedre bilderna visar ultraljudsfeedback i realtid under träningen. (Med tillstånd: Parag Chitnis)

Ett alternativ är ultraljud, som kan ge icke-invasiva bilder av vävnad under huden och avslöja hur olika muskelgrupper rör sig och drar ihop sig under dynamisk fysisk aktivitet. Traditionella ultraljudssystem är dock stora och besvärliga, kräver att patienten är bunden till instrumentet och är således inte gynnsam för realtidsavbildning under aktivitet.

So Parag Chitnis från George Mason University och kollegor bestämde sig för att bygga sin egen ultraljudsapparat från grunden. De designade ett kompakt bärbart ultraljudssystem som rör sig med patienten och producerar kliniskt relevant information om muskelfunktion under fysisk aktivitet.

För att göra detta utvecklade forskarna ny ultraljudsteknik som förlitar sig på överföring av lågspänning, långvariga chirps – i motsats till de konventionellt använda mycket högspännings- och kortvariga pulssekvenserna. Detta gjorde det möjligt för dem att använda billiga elektroniska komponenter, som de som finns i en bilradio, för att designa ett enklare, bärbart ultraljudssystem som kunde drivas av batterier och kopplas till en patient. De kallar det nya tillvägagångssättet SMART-US, eller simultan muskuloskeletal bedömning med ultraljud i realtid.

Teamet testade tillvägagångssättet på en försöksperson som utför motrörelsehopp (en rutinövning för att utvärdera hälsan och funktionen hos nedre extremiteter och knäleder) på en kraftplatta med en ultraljudsgivare fäst vid benet. SMART-US-enheten gav feedback i realtid om nivån av muskelaktivering och funktion under hoppen, med signifikant korrelation sett mellan kraftdata och ultraljudsmätningar. Chitnis tillade att tekniken också kan användas för att undersöka flera olika muskler samtidigt.

"Ultraljudsbaserad biofeedback kan hjälpa till att anpassa terapi och rehabilitering för att förbättra behandlingsresultaten", förklarade han vid en presskonferens. "Andra tillämpningar som vi föreställer oss för vår teknik inkluderar personlig kondition, atletisk träning och idrottsmedicin, militär hälsa, strokerehabilitering och bedömning av fallrisken hos äldre befolkningar."

Nästa mål är tekniköverföring, att få enheten genom FDA-godkännande så att teamet kan utföra kliniska studier för rehabilitering. Framöver föreställer sig Chitnis att kliniker skulle kunna köpa ett system på grundläggande nivå för bara några hundra dollar.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden