Zespół badaczy pod kierownictwem Xiaoguang Donga, profesora nadzwyczajnego inżynierii mechanicznej, opracował innowacyjny system sztucznych rzęsek sensorycznych, które umożliwiają monitorowanie stanu śluzu w drogach oddechowych człowieka. Nowa technologia ma na celu wczesne wykrywanie infekcji, niedrożności dróg oddechowych oraz ocenę ciężkości takich chorób jak mukowiscydoza (CF), przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP) oraz rak płuc.
Wyniki badań opublikowano 7 listopada w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) w artykule zatytułowanym „Sensory Artificial Cilia for In Situ Monitoring of Airway Physiological Properties”.
Kluczowe znaczenie ciągłego monitorowania dróg oddechowych
W artykule badacze podkreślają, że ciągłe monitorowanie stanu dróg oddechowych jest kluczowe dla szybkich interwencji medycznych, zwłaszcza w przypadku pacjentów z implantowanymi stentami oddechowymi, stosowanymi w celu łagodzenia centralnej niedrożności dróg oddechowych w przebiegu raka płuca i innych schorzeń. Szczególne znaczenie mają warunki śluzowe, które są istotnymi biomarkerami stanu zapalnego oraz drożności stentu, lecz ich monitorowanie w warunkach rzeczywistych pozostaje dużym wyzwaniem. Obecnie stosowane metody, takie jak tomografia komputerowa i badania bronchoskopowe, wiążą się z ryzykiem związanym z promieniowaniem i nie zapewniają ciągłego, bieżącego monitorowania poza szpitalem.
Sztuczne rzęski naśladujące zdolności biologiczne
Zespół Donga opracował technologię naśladującą biologiczne rzęski, pozwalającą na wykrywanie warunków śluzu, takich jak lepkość i grubość warstwy. Parametry te są kluczowymi biomarkerami ciężkości choroby.
Mechanizm sensoryczny dla lepkości śluzu wykorzystuje zewnętrzne pole magnetyczne do aktywacji sztucznej rzęski magnetycznej, której kształt jest monitorowany za pomocą elastycznego tensometru. Natomiast grubość warstwy śluzu jest mierzona za pomocą rzęski sensorycznej z funkcją pojemnościową, co umożliwia samokalibrację, regulowaną czułość i zakres pomiaru dzięki zastosowaniu zewnętrznego pola magnetycznego generowanego przez noszony na ciele system magnetyczny.
Nowatorską metodę przetestowano, umieszczając sensoryczne rzęski zarówno niezależnie, jak i w połączeniu ze stentem oddechowym, wewnątrz sztucznej tchawicy oraz tchawicy owczej. Sygnały sensoryczne były przesyłane bezprzewodowo do smartfona lub chmury, gdzie dane były analizowane pod kątem diagnozy chorób.
„Zaproponowane mechanizmy sensoryczne oraz urządzenia torują drogę do monitorowania stanu śluzu w czasie rzeczywistym, co umożliwia wczesne wykrywanie chorób oraz zapewnia alerty o drożności stentu, pozwalając na szybkie interwencje i spersonalizowaną opiekę nad pacjentem,” napisali autorzy badań.
Współpraca interdyscyplinarna i nagrody naukowe
Badania te zostały przeprowadzone we współpracy z naukowcami z Vanderbilt University Medical Center: prof. Fabienem Maldonado, specjalistą chirurgii klatki piersiowej, dr Caitlin Demarest, adiunkt chirurgii klatki piersiowej oraz prof. Caglarem Oskayem, przewodniczącym Katedry Inżynierii Cywilnej i Środowiskowej oraz profesorem inżynierii na Vanderbilt University.
Pierwszym autorem artykułu jest Yusheng Wang, doktorant trzeciego roku na Wydziale Inżynierii Mechanicznej. Xiaoguang Dong zdobył wcześniej nagrodę R21 Trailblazer Award przyznawaną przez Narodowy Instytut Obrazowania Biomedycznego i Bioinżynierii (NIBIB), należący do National Institutes of Health (NIH), na realizację projektu dotyczącego „Stentu rzęskowego aktywowanego bezprzewodowo do minimalnie inwazyjnego leczenia dysfunkcji rzęsek”.
Nagroda Trailblazer R21 wspiera badania nowych i początkujących naukowców, którzy realizują innowacyjne projekty na styku nauk przyrodniczych, inżynierii i nauk fizycznych.
Perspektywy zastosowania technologii
Nowe sensoryczne rzęski robotyczne mają potencjał, aby zrewolucjonizować monitorowanie chorób dróg oddechowych, zwłaszcza u pacjentów z przewlekłymi schorzeniami, takimi jak mukowiscydoza, POChP oraz pacjentów z nowotworami płuc. Dzięki możliwości monitorowania parametrów śluzu w czasie rzeczywistym, technologia ta może przyczynić się do lepszej diagnostyki, szybszego wykrywania komplikacji oraz poprawy opieki nad pacjentem, zmniejszając potrzebę inwazyjnych badań diagnostycznych.
Źródło: Vanderbilt University School of Engineering, fot. Vanderbilt University School of Engineering
