Badania za pomocą ultradźwięków szansą dla wielu chorych

Wielu z nas przynajmniej raz w życiu korzystało z technologii ultradźwięków. Używa się ich, chociażby w trakcie USG (czyli badania ultrasonograficznego). Ta opracowana na początku lat 70. XX w. technika obrazowania umożliwia wizualizację tkanek i narządów poprzez sondę przykładaną do skóry pacjenta.

Fale ultradźwiękowe emitowane przez urządzenie przenikają w głąb ciała, gdzie odbijają się, a następnie są zbierane przez tę samą sondę i przetwarzane na obraz widoczny na monitorze.

Serce pod obserwacją

Nagły zgon sercowy pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnej kardiologii. Dlatego uczestnicy finansowanego przez UE projektu USART (Ultrasound guided cardiac arrhythmia treatment) opracowali techniki oraz metody ultraszybkiego obrazowania wolumetrycznego zdolne do wiarygodnego przetworzenia uzyskanych danych na trójwymiarowe obrazy, jak również przetestowali metody obrazowania z użyciem fal dywergentnych w powszechnie dostępnych systemach ultradźwiękowych, na podstawie których oszacowali prędkości ruchu tkanek z zadowalającą dokładnością.

Dzięki temu już niebawem ultradźwiękowe kamery rejestrujące obraz o niezwykle dużej liczbie klatek na sekundę umożliwią kardiologom badanie szybkich skurczów serca, arytmii oraz ruchu zastawek.

Dodatkowo naukowcy zoptymalizowli bazującą na nieprzetworzonych danych z badań ultradźwiękowych metodę monitorowania prowadzenia cewnika w czasie rzeczywistym w trakcie zabiegu. Metoda ta umożliwia odróżnienie narzędzia od otaczających tkanek, a tym samym uzyskanie wiarygodnych informacji o jego położeniu i orientacji¹.

Hydrożele reagujące na fale ultradźwiękowe

Z kolei zespół z Duke University i Harvard Medical School w USA zaprezentował biokompatybilny tusz, który łączy w sobie hydrożele, specjalne mikrocząstki i cząsteczki chemiczne reagujące na fale ultradźwiękowe. Sterując nimi, można uzyskiwać różne kształty – od heksagonalnego rusztowania przypominającego właściwościami kość, po hydrożelowe baloniki.

Ponieważ sono-ink (tak nazwano tusz) reaguje na dźwięk, można na niego oddziaływać nawet wewnątrz głęboko ukrytych tkanek. Badacze twierdzą, że z pomocą tej technologii będzie można naprawiać różne części organizmu, na przykład uszkodzone zastawki serca czy kości.

Metoda nosi nazwę deep-penetrating acoustic volumetric printing (DVAP, objętościowy druk z pomocą penetrujących głęboko fal akustycznych). Bazuje ona na zjawisku sonotermicznym, w którym fale akustyczne powodują wzrost temperatury w danym materiale.

Ultradźwięki mogą wnikać ponad 100 razy głębiej niż światło. Możemy więc dotrzeć do różnych tkanek, np. kości czy narządów, z odpowiednią precyzją, której nie zapewniał druk oparty na świetle – mówi prof. Junjie Yao, autor pracy opublikowanej w Science.

Tusz ma postać lepkiej cieczy, więc można go łatwo wstrzyknąć w docelowe miejsce. Jednak jego skład można zmieniać, tak aby, jak najlepiej pasował do danego zastosowania.

Materiał może stać się np. twardy, podobnie jak kość, albo np. ulegać biodegradacji. Wynalazek przeszedł już próbę na naturalnym organie. Korzystający z niego w laboratorium naukowcy zamknęli uszkodzoną część serca kozy.

Implant scalił się z narządem i był na tyle elastyczny, że wytrzymał ruch naśladujący naturalne bicie serca. Równie dobrze przeszedł test na kości kurczęcia. Wynalazcy pokazali, też, że sono-ink może posłużyć do podawania leków w odpowiednie miejsce. Zawierający wybrany farmaceutyk tusz wprowadzili do fragmentu wątroby. Po utwardzeniu materiał zaczął powoli uwalniać lek².

Ultradźwięki rozbijają kamienie nerkowe

Ultradźwięki mogą działać na podobnej zasadzie, jak młot pneumatyczny – dzięki generowanym przez nadajnik ultradźwiękowym falom uderzeniowym są w stanie bezboleśnie rozkruszać kamienie nerkowe.

Każdego roku temu zabiegowi poddaje się milion osób. Za pomocą fali uderzeniowej można też kruszyć kamienie śliniankowe, żółciowe, a także leczyć takie schorzenia jak łokieć tenisisty, zespół bolesnego barku z odkładającymi się złogami wapniowymi w ścięgnach mięśni w stawie barkowym czy ostrogi piętowe.

Teraz okazuje się, że podobny mechanizm może pomóc w walce z rakiem. Terapia – nazwana sonoporacją – polega na wstrzyknięciu leku oraz mikropecherzyków gazu do układu krwionośnego pacjenta, a następnie zaaplikowaniu ultradźwięków w miejsce występowania nowotworu. Pęcherzyki gazu pod ich wpływem oscylują, masując tkankę guza. Jej błona komórkowa staje się wtedy bardziej przepuszczalna, co pozwala na doprowadzenie do guza nawet tysiąckrotnie większej dawki leku³!

U myszy, które naukowcy z Uniwersytetu w Tours poddali temu zabiegowi, guz zmniejszył się od 3 do 5 razy bardziej w porównaniu do gryzoni objętych konwencjonalną chemioterapią. Obecnie zespół prowadzi pierwsze globalne badanie kliniczne tej techniki w leczeniu pacjentów z rakiem jelita grubego.

Szansa dla chorych na demencję

Dzięki tej samej technice amerykańskim uczonym udało się w zeszłym roku na 24 godz. otworzyć barierę krew-mózg u paru pacjentów w podeszłym wieku. Pozwoli to nie tylko na bezpośrednie dostarczanie leków do mózgu, ale również na „litorypsję” złogów beta-amyloidu, czyli białka, które uniemożliwia przepływ informacji między komórkami nerwowymi w chorobie Alzheimera.

Uczeni z Columbia University podkreślają, że uchylenie wrót do mózgu daje nadzieję ponad 20 mln pacjentów cierpiących na demencję, parkinsona oraz stwardnienie rozsiane i zanikowe boczne, ponieważ dopóki były zamknięte, bariera krew-mózg, umożliwiała przedostanie się do naszej centrali jedynie 5% z 7 000 leków⁴.

Przekonało się już o tym kilkaset osób na całym świecie, które od dawna cierpiały na drżenie samoistne. Aby im pomóc, lekarze użyli wysoce wyspecjalizowanego ultradźwiękowego skalpela. Chodziło bowiem o obszar wielkości ziarnka ryżu, który znajduje się we wzgórzu (części mózgu odgrywającej rolę przewodnika funkcji motorycznych i sensorycznych).

Aby zniszczyć ten fragment, pacjentom nakłada się na głowę półkulisty hełmie. Znajdują się w nim 1 024 przetworniki, z których każdy emituje niegroźną falę ultradźwiękową w kierunku celu. Zbiegają się one jednak w precyzyjnie wyznaczonym punkcie ogniskowym, gdzie sumują się ich energie.

Aby idealnie trafić w konkretny obszar mózgu, chirurg wykorzystuje technikę obrazowania rezonansem magnetycznym (MRI). Umożliwia to monitorowanie wzrostu temperatury wokół leczonego miejsca i celowanie w uszkodzone komórki z dokładnością do 1 mm.

Jednym z kluczowych osiągnięć twórców hełmu Exablate Neuro z firmy Insightec było przełamanie bariery czaszki. Jej kości mają nieregularny kształt i grubość, przez co nierównomiernie przyspieszają poszczególne wiązki ultradźwiękowe. Żeby uwzględnić ten efekt, należy jeszcze przed interwencją wykonać skan rentgenowski głowy pacjenta.

W trakcie operacji każdy przetwornik jest kalibrowany zgodnie z tym odwzorowaniem, tak by wszystkie fale spotkały się w pożądanym miejscu i czasie. Jak szacują uczeni, bezpośrednio po operacji u pacjentów nastąpiło średnie zmniejszenie drżenia do 47% i do 40% rok po niej⁵. W tym czasie udowodniono, że ultradźwiękami można też leczyć drżenie parkinsonowskie i bóle neuropatyczne.