Ученые разработали имплант для непрерывного мониторинга пересаженных органов

Исследователи Северо-Западного университета разработали первое электронное устройство для непрерывного мониторинга состояния пересаженных органов в режиме реального времени.

Ультратонкий мягкий имплантат, устанавливаемый непосредственно на пересаженную почку, способен определять температурные нарушения, связанные с воспалением и другими реакциями организма, возникающими при отторжении трансплантата. Затем он оповещает пациента или врача, передавая данные по беспроводному каналу на находящийся рядом смартфон или планшет.

В новом исследовании ученые протестировали прибор на небольшой животной модели с пересаженной почкой и обнаружили, что прибор обнаруживает признаки отторжения на три недели раньше, чем существующие методы мониторинга. Это дополнительное время может позволить врачам вмешаться в ситуацию раньше, что улучшит результаты лечения и самочувствие пациентов, а также повысит шансы на сохранение донорских органов, которые становятся все более ценными из-за растущего спроса в условиях кризиса нехватки органов.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Отторжение может возникнуть в любой момент после трансплантации — сразу после пересадки или спустя годы. По словам авторов исследования, оно часто протекает бесшумно, и пациенты могут не испытывать никаких симптомов.

Я заметил, что многие мои пациенты испытывают постоянную тревогу, не зная, отторгает ли их организм пересаженный орган или нет, — сказал д-р Лоренцо Галлон, нефролог-трансплантолог из Northwestern Medicine, возглавлявший клиническую часть исследования.

Они могут годами ждать трансплантации и, наконец, получить ее от близкого человека или умершего донора. Затем они всю оставшуюся жизнь беспокоятся о здоровье этого органа. Наше новое устройство может обеспечить определенную защиту, а постоянный мониторинг — уверенность и спокойствие.

Джон А. Роджерс из Северо-Западного университета, пионер в области биоэлектроники, возглавивший разработку устройства, говорит, что очень важно выявлять случаи отторжения сразу же после их возникновения.

Если отторжение выявлено на ранней стадии, врачи могут провести антирецидивную терапию, чтобы улучшить состояние здоровья пациента и предотвратить потерю донорского органа, — сказал Роджерс.

В худшем случае, если игнорировать отторжение, оно может стать опасным для жизни. Чем раньше удастся распознать отторжение и начать терапию, тем лучше. Именно с этой целью мы и разработали данное устройство.

«Каждый человек по-разному реагирует на антирецидивную терапию», — говорит Сурабхи Мадхвапати (Surabhi Madhvapathy), постдокторант лаборатории Роджерса и первый автор статьи. „Мониторинг состояния пересаженного органа пациента в режиме реального времени — важнейший шаг на пути к персонализированной дозировке и медицине“.

Галлон — также профессор нефрологии, гипертонии и трансплантации органов в Медицинской школе Файнберга Северо-Западного университета. Роджерс — профессор материаловедения и инженерии, биомедицинской инженерии и неврологической хирургии Луиса Симпсона и Кимберли Кверри в Северо-Западной школе инженерии Маккормик и директор Института биоэлектроники им. Галлон и Роджерс руководили исследованием совместно с доктором Дженни Чжан, профессором-исследователем в области трансплантации органов в Фейнберге.

Современные проблемы мониторинга

Для более чем 250 тыс. человек в США, живущих с пересаженной почкой, мониторинг состояния органа — это постоянный процесс. Наиболее простым способом контроля состояния почек является измерение определенных маркеров в крови. Отслеживая уровень креатинина и азота мочевины в крови пациента, врачи могут получить представление о работе почек. Однако уровень креатинина и азота мочевины в крови может колебаться по причинам, не связанным с отторжением органа, поэтому отслеживание этих биомаркеров не является ни чувствительным, ни специфичным, что иногда приводит к ложноотрицательным или положительным результатам.

В настоящее время «золотым стандартом» выявления отторжения является биопсия, при которой врач с помощью длинной иглы берет образец ткани из пересаженного органа, а затем анализирует его на предмет наличия признаков предстоящего отторжения. Однако такие инвазивные процедуры, как биопсия, сопряжены с риском многочисленных осложнений, включая кровотечение, инфекцию, боль и даже непреднамеренное повреждение близлежащих тканей.

Время выполнения процедуры может быть довольно длительным, а частота мониторинга ограничена и требует проведения анализа за пределами участка, — говорит Галлон.

Получение результатов может занять четыре-пять дней. А эти четыре-пять дней могут оказаться решающими для принятия своевременного решения по уходу за пациентом.

Время и температура

Новый биоэлектронный имплантат Северо-Западного университета, напротив, контролирует нечто гораздо более простое и надежное: температуру. Поскольку повышение температуры обычно сопровождает воспаление, исследователи предположили, что обнаружение аномального повышения температуры и ее необычных колебаний может служить ранним сигналом, предупреждающим о возможном отторжении трансплантата.

Исследование на животных подтвердило эту гипотезу. В ходе исследования ученые заметили, что локальное повышение температуры пересаженной почки — иногда на целых 0,6°С — предшествует отторжению.

У животных, не принимавших иммуносупрессивные препараты, температура повышалась за два-три дня до изменения биомаркеров в образцах крови. У животных, принимавших иммунодепрессанты, температура не только повышалась, но и демонстрировала дополнительные колебания за три недели до повышения креатинина и азота мочевины крови.

В нормальных условиях температура органов колеблется в течение суточного цикла, — говорит Мадхвапати.

В случаях отторжения трансплантата мы наблюдали аномальные колебания температуры с более высокой частотой, происходящие в течение 8 и 12 часов.

Галлон сказал:

Гистологические повреждения возникают даже при нормальном уровне креатинина. Даже если функция почек кажется нормальной, признаки отторжения в крови могут запаздывать на несколько дней.

Новое устройство не только позволяет обнаружить признаки отторжения раньше, чем другие методы, но и обеспечивает непрерывный мониторинг в режиме реального времени. Сразу после операции по трансплантации пациенты могут сдавать анализ крови чаще одного раза в неделю. Но со временем анализы крови становятся реже, оставляя пациентов в неведении на протяжении нескольких недель.

Пациент ходит по натянутому канату

Доктор Хоакин Бриева, дерматолог из Northwestern Medicine, хорошо знаком с ожиданием и гаданием. Родившись с врожденной формой заболевания почек, Бриева получил трансплантат почки в сентябре 2022 года.

В течение двух дней после пересадки моя функция почек пришла в норму, — говорит Бриева, не принимавшая участия в исследовании.

Но потом вы беспокоитесь о возможности отторжения почки. Вот почему вы принимаете такие мощные противоотторгающие препараты и стероиды. Вы ходите по натянутому канату, опасаясь инфекций, осложнений от лекарств, различных побочных эффектов и отторжения почки.

С некоторыми из этих опасений можно справиться с помощью корректировки лекарственных препаратов, но отторжение почки по-прежнему широко распространено. Пересаженная почка очень ценна, поэтому это меня беспокоило больше всего.

«Мы не можем просто утроить или утроить количество антирецидивных препаратов, чтобы избежать отторжения, поскольку эти препараты несут свой собственный риск», — сказал Гэллон. „Иммунодепрессанты могут снижать иммунитет всей системы и связаны с инфекциями и даже раком. Мы не хотим увеличивать дозы, если нет признаков того, что это необходимо“.

Для Бриева, потерявшего девять членов семьи из-за почечной недостаточности, и для других реципиентов органов устройство, постоянно контролирующее состояние органа, может помочь избежать ненужных лекарств и обеспечить столь необходимое душевное спокойствие.

Наличие такого устройства окажет успокаивающий эффект, — сказал он.

Девайс сможет уловить любые внезапные изменения в почечном трансплантате и обнаружить острое отторжение, которое в настоящее время не дает никаких предупреждающих сигналов.

Об устройстве

Сам датчик очень мал. Его ширина составляет всего 0,3 см, длина — 0,7 см, а толщина — 220 мкм, что меньше ногтя мизинца и примерно соответствует ширине одного волоска. Чтобы прикрепить его к почке, Роджерс и его команда воспользовались естественными биологическими особенностями этого органа. Вся почка заключена в фиброзный слой, называемый почечной капсулой, который защищает орган от повреждений. Команда Роджерса сконструировала датчик таким образом, чтобы он располагался непосредственно под слоем капсулы и плотно прилегал к почке.

Капсула обеспечивает хороший тепловой контакт устройства с почкой, — сказал Роджерс.

Организмы движутся, поэтому приходится иметь дело с большим количеством движений. Даже сама почка движется. К тому же это мягкая ткань, не имеющая хороших точек крепления для швов. Все это было сложнейшей инженерной задачей, но это устройство представляет собой мягкий, бесшовный интерфейс, позволяющий избежать риска повреждения органа.

Устройство содержит высокочувствительный термометр, который способен обнаружить невероятно незначительные (0,004 градуса Цельсия) колебания температуры почки — и только почки. (Датчик также измеряет кровоток, хотя, по мнению исследователей, температура является лучшим индикатором отторжения).

Затем датчики подключаются к миниатюрному комплексу электроники (включая миниатюрную монетную батарею для питания), который располагается рядом с почкой и использует технологию Bluetooth для непрерывной беспроводной передачи данных на внешние устройства.

Все электронные компоненты заключены в мягкий, биосовместимый пластик, который нежно и гибко прилегает к нежным тканям почки, — говорит Мадхвапати.

Хирургическое введение всей системы, которая по размеру меньше четверти, — это быстрая и легкая процедура.

«Мы представляем себе, что хирург может имплантировать устройство сразу после операции по пересадке, когда пациент еще находится в операционной», — сказал Роджерс. „Тогда он сможет контролировать состояние почки, не прибегая к дополнительным процедурам“.

Что дальше?

После успешных испытаний на мелких животных исследователи собираются испытать систему на более крупной животной модели. Роджерс и его команда также изучают способы подзарядки батареи монетных элементов, чтобы она могла работать всю жизнь.

Хотя первичные исследования проводились с трансплантацией почки, исследователи предполагают, что этот метод может быть использован и для трансплантации других органов, включая печень и легкие, а также для других моделей заболеваний.

10.09.2023