Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen kleinen Ultraschallaufkleber entwickelt, der die Steifheit von Organen tief im Inneren des Körpers überwachen kann. Der Aufkleber, der etwa die Größe einer Briefmarke hat, kann auf der Haut getragen werden und soll Anzeichen von Krankheiten wie Leber- und Nierenversagen sowie das Fortschreiten solider Tumore aufspüren.

In einer jetzt veröffentlichten Studie berichtet das Team, dass der Sensor Schallwellen durch die Haut und in den Körper senden kann, die dann von den inneren Organen reflektiert und an den Aufkleber zurückgesandt werden. Das Muster der reflektierten Wellen kann als Signatur der Organsteifheit gelesen werden, die der Aufkleber messen und verfolgen kann.

„Wenn einige Organe erkranken, können sie sich mit der Zeit versteifen“, sagt der Seniorautor der Studie, Xuanhe Zhao, Professor für Maschinenbau am MIT. „Mit diesem tragbaren Aufkleber können wir Veränderungen der Steifheit über lange Zeiträume hinweg kontinuierlich überwachen, was für die Frühdiagnose von innerem Organversagen von entscheidender Bedeutung ist.“

Das Team hat gezeigt, dass der Aufkleber die Steifheit von Organen über einen Zeitraum von 48 Stunden kontinuierlich überwachen und subtile Veränderungen erkennen kann, die auf ein Fortschreiten der Krankheit hinweisen könnten. In ersten Experimenten fanden die Forschenden heraus, dass der klebrige Sensor frühe Anzeichen von akutem Leberversagen bei Ratten erkennen kann.

Die Ingenieure arbeiten nun daran, das Design für die Anwendung beim Menschen anzupassen. Sie stellen sich vor, dass der Aufkleber auf Intensivstationen eingesetzt werden könnte, wo die unauffälligen Sensoren Patient:innen, die sich von einer Organtransplantation erholen, kontinuierlich überwachen könnten.

„Wir stellen uns vor, dass wir kurz nach einer Leber- oder Nierentransplantation diesen Aufkleber auf einen Patienten kleben und beobachten können, wie sich die Steifigkeit des Organs über Tage hinweg verändert“, sagt der Hauptautor Hsiao-Chuan Liu. „Bei einer frühzeitigen Diagnose von akutem Leberversagen können die Ärzte sofort Maßnahmen ergreifen.

Das Vibrieren von Organen erkennen

Wie unsere Muskeln versteifen auch die Gewebe und Organe in unserem Körper mit zunehmendem Alter. Bei bestimmten Krankheiten kann sich die Versteifung von Organen verstärken, was auf eine potenziell rapide Verschlechterung der Gesundheit hinweist. Kliniker haben derzeit Möglichkeiten, die Steifheit von Organen wie Nieren und Leber mit Hilfe der Ultraschall-Elastografie zu messen - einer Technik, die der Ultraschall-Bildgebung ähnelt und bei der ein Techniker eine handgehaltene Sonde oder einen Stab über die Haut führt. Die Sonde sendet Schallwellen durch den Körper, die die inneren Organe in leichte Schwingungen versetzen und diese Wellen zurücksenden. Die Sonde misst die von einem Organ ausgelösten Schwingungen, und aus dem Muster der Schwingungen lässt sich ableiten, wie wackelig oder steif das Organ sein muss.

Die Ultraschall-Elastografie wird in der Regel auf der Intensivstation eingesetzt, um Patienten zu überwachen, die sich kürzlich einer Organtransplantation unterzogen haben. Die Techniker kommen kurz nach der Operation regelmäßig zu den Transplantierten, um das neue Organ schnell zu untersuchen und nach Anzeichen von Versteifung und möglichem akuten Versagen oder Abstoßung zu suchen.

„Nach einer Organtransplantation sind die ersten 72 Stunden auf der Intensivstation am wichtigsten“, sagt Qifa Zhou, ein weiterer leitender Autor, Professor an der University of Southern California (USC). „Bei der herkömmlichen Ultraschalluntersuchung muss man eine Sonde an den Körper halten. Aber das kann man nicht über einen längeren Zeitraum hinweg tun. Die Ärzte könnten einen entscheidenden Moment verpassen und zu spät erkennen, dass das Organ versagt“.

Das Team erkannte, dass sie eine kontinuierliche, tragbare Alternative anbieten könnten. Ihre Lösung baut auf einem Ultraschallaufkleber auf, den sie zuvor für die Darstellung von tiefem Gewebe und Organen entwickelt hatten.

„Unser Bildgebungsaufkleber nahm Longitudinalwellen auf, während wir dieses Mal Scherwellen aufnehmen wollten, die Aufschluss über die Steifigkeit des Organs geben“, erklärt Zhao.

Bestehende Ultraschall-Elastrographie-Sonden messen Scherwellen oder die Vibration eines Organs als Reaktion auf Schallimpulse. Je schneller sich eine Sekundärwelle (S-Welle) in einem Organ ausbreitet, desto höher wird die Steifheit des Organs eingeschätzt (ähnlich wie beim Rückprallen eines Wasserballons im Vergleich zu einem Fußball).

Das Team versuchte, die Ultraschall-Elastographie so zu miniaturisieren, dass sie auf einen briefmarkengroßen Aufkleber passt. Außerdem sollte die Empfindlichkeit kommerzieller Handsonden beibehalten werden, die in der Regel etwa 128 piezoelektrische Wandler enthalten, von denen jeder ein eintreffendes elektrisches Feld in ausgehende Schallwellen umwandelt.

„Wir haben fortschrittliche Fertigungstechniken eingesetzt, um kleine Wandler aus hochwertigen piezoelektrischen Materialien zu schneiden, die es uns ermöglichten, miniaturisierte Ultraschallsticker zu entwickeln“, sagt Zhou.

Die Forschenden fertigten 128 Miniatur-Schallwandler präzise an, die sie auf einem 25 Millimeter großen Chip unterbrachten. Die Unterseite des Chips klebten sie mit einem Klebstoff aus Hydrogel aus - einem klebrigen und dehnbaren Material, das aus einer Mischung aus Wasser und Polymeren besteht und es ermöglicht, dass Schallwellen fast verlustfrei in das Gerät hinein- und wieder hinausgelangen.

In ersten Versuchen testete das Team den Aufkleber, der die Steifheit misst, an Ratten. Sie stellten fest, dass die Aufkleber die Steifheit der Leber über einen Zeitraum von 48 Stunden kontinuierlich messen konnten. Anhand der von den Aufklebern gesammelten Daten beobachteten die Forschenden klare und frühe Anzeichen eines akuten Leberversagens, die sie später mit Gewebeproben bestätigten.

„Sobald die Leber versagt, nimmt die Steifigkeit des Organs um ein Vielfaches zu“, so Liu. „Man kann von einer gesunden Leber, die so wackelig wie ein weichgekochtes Ei ist, zu einer kranken Leber übergehen, die eher wie ein hartgekochtes Ei ist“, fügt Zhao hinzu. „Und dieser Aufkleber kann diese Unterschiede tief im Körper aufspüren und einen Alarm auslösen, wenn ein Organversagen auftritt.“

Das Team arbeitet mit Kliniker:innen zusammen, um den Aufkleber für die Verwendung bei Patient:innen anzupassen, die sich auf der Intensivstation von einer Organtransplantation erholen. In diesem Szenario erwarten sie keine großen Änderungen am derzeitigen Design des Aufklebers, da er auf die Haut von Patient:innen geklebt werden kann und alle Schallwellen, die er sendet und empfängt, von der Elektronik, die mit dem Aufkleber verbunden ist, übertragen und aufgefangen werden können, ähnlich wie Elektroden und EKG-Geräte in einer Arztpraxis.

„Das wirklich Schöne an diesem System ist, dass es, da es nun tragbar ist, eine leichte, anpassungsfähige und dauerhafte Überwachung über einen längeren Zeitraum ermöglichen würde“, sagt Shrike Zhang, außerordentlicher Professor für Medizin an der Harvard Medical School und außerordentlicher Bioingenieur am Brigham and Women‘s Hospital, der nicht an der Studie beteiligt war. „Dies würde wahrscheinlich nicht nur den Patienten einen geringeren Leidensdruck verschaffen, sondern auch das geschulte Krankenhauspersonal für andere wichtige Aufgaben freisetzen.

Die Forschenden hoffen auch, den Aufkleber zu einer tragbareren, in sich geschlossenen Ausführung weiterzuentwickeln, bei der die gesamte begleitende Elektronik und Verarbeitung so miniaturisiert ist, dass sie in ein etwas größeres Pflaster passt. Sie stellen sich vor, dass der Aufkleber von Patient:innen zu Hause getragen werden könnte, um den Zustand über einen längeren Zeitraum kontinuierlich zu überwachen, z. B. das Fortschreiten von soliden Tumoren, die sich bekanntermaßen mit zunehmendem Schweregrad verhärten.

„Wir glauben, dass dies eine lebensrettende Technologieplattform ist“, sagt Zhao. „Wir denken, dass die Menschen in Zukunft ein paar Aufkleber auf ihren Körper kleben können, um viele lebenswichtige Signale zu messen und die Gesundheit der wichtigsten Organe im Körper abzubilden und zu verfolgen.“

Übersetzung: DIATRA