Les autocollants échographiques changeants détectent les complications post-chirurgicales

Les autocollants échographiques changeants détectent les complications post-chirurgicales

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Des chercheurs dirigés par l'Université Northwestern et l'École de médecine de l'Université Washington à Saint-Louis ont développé un nouvel autocollant, le premier en son genre, qui permet aux cliniciens de surveiller la santé des organes et des tissus profonds des patients avec un simple appareil à ultrasons.

Lorsqu'il est attaché à un organe, le petit autocollant doux change de forme en réponse aux changements de pH du corps, ce qui peut servir de signe d'alerte précoce pour des complications postopératoires telles que des fuites anastomotiques. Les cliniciens peuvent ensuite visualiser ces changements de forme en temps réel grâce à l’imagerie échographique.

Actuellement, aucune méthode existante ne peut détecter de manière fiable et non invasive les fuites anastomotiques, une condition potentiellement mortelle qui survient lorsque les liquides gastro-intestinaux s'échappent du système digestif. En révélant les fuites de ces fluides avec une sensibilité et une spécificité élevées, l'autocollant non invasif peut permettre des interventions plus précoces qu'auparavant. Ensuite, lorsque le patient est complètement rétabli, l’autocollant biocompatible et biorésorbable se dissout simplement, évitant ainsi la nécessité d’une extraction chirurgicale.

L'article, paru dans la revue Science et intitulée « L'étude, « Structures biorésorbables adaptatives de forme pour la surveillance par ultrasons de l'homéostasie des tissus profonds », présente des évaluations sur des modèles animaux petits et grands pour valider trois types différents d'autocollants fabriqués à partir de matériaux hydrogel adaptés à la capacité de détecter les fuites anastomotiques de l'estomac, l'intestin grêle et le pancréas.







“Ces fuites peuvent provenir de perforations subtiles dans les tissus, souvent sous la forme d'espaces imperceptibles entre les deux côtés d'une incision chirurgicale”, a déclaré John A. Rogers de Northwestern, qui a dirigé le développement du dispositif avec Jiaqi Liu, chercheur postdoctoral.

“Ces types de défauts ne peuvent pas être observés directement avec les outils d'imagerie par ultrasons. Ils échappent également à la détection, même par les tomodensitogrammes et les IRM les plus sophistiqués. Nous avons développé une approche technique et un ensemble de matériaux avancés pour répondre à ce besoin non satisfait en matière de surveillance des patients. La technologie a le potentiel d'éliminer les risques, de réduire les coûts et d'élargir l'accessibilité à des évaluations rapides et non invasives pour améliorer les résultats pour les patients.

“À l'heure actuelle, il n'existe aucun moyen efficace de détecter ce type de fuites”, a déclaré le chirurgien gastro-intestinal, le Dr Chet Hammill, qui a dirigé l'évaluation clinique et les études sur des modèles animaux à l'Université de Washington avec son collaborateur, le Dr Matthew MacEwan, professeur adjoint de neurochirurgie. .

“La majorité des opérations dans l'abdomen – lorsqu'il faut retirer quelque chose et le recoudre – comportent un risque de fuite. Nous ne pouvons pas empêcher complètement ces complications, mais peut-être pouvons-nous les détecter plus tôt pour minimiser les dommages. Même si nous “Nous pourrions détecter une fuite 24 ou 48 heures plus tôt, nous pourrions détecter les complications avant que le patient ne devienne vraiment malade. Cette nouvelle technologie a le potentiel de changer complètement la façon dont nous surveillons les patients après une intervention chirurgicale.”

Pionnier de la bioélectronique, Rogers est professeur Louis Simpson et Kimberly Querrey de science et d'ingénierie des matériaux, de génie biomédical et de chirurgie neurologique, avec des nominations à la McCormick School of Engineering et à la Feinberg School of Medicine de l'Université Northwestern. Il dirige également l'Institut Querrey Simpson pour la bioélectronique. Au moment de la recherche, Hammill était professeur agrégé de chirurgie à l’Université de Washington. Rogers, Hammill et MacEwan ont codirigé la recherche avec Heling Wang, professeur agrégé à l'Université Tsinghua de Pékin.

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L’importance d’être en avance

Toutes les chirurgies gastro-intestinales comportent un risque de fuites anastomotiques. Si la fuite n'est pas détectée suffisamment tôt, le patient a 30 % de chances de passer jusqu'à six mois à l'hôpital et 20 % de chances de mourir, selon Hammill. Pour les patients qui se remettent d’une chirurgie pancréatique, les risques sont encore plus élevés. Hammill affirme que 40 à 60 % des patients souffrent de complications après une intervention chirurgicale liée au pancréas.

Le plus gros problème est qu’il n’existe aucun moyen de prédire qui développera de telles complications. Et au moment où le patient présente des symptômes, il est déjà incroyablement malade.

“Les patients pourraient présenter de vagues symptômes associés à la fuite”, a déclaré Hammill. “Mais ils viennent de subir une opération chirurgicale importante, il est donc difficile de savoir si les symptômes sont anormaux. Si nous pouvons le détecter tôt, nous pouvons alors drainer le liquide. Si nous le détectons plus tard, le patient peut contracter une septicémie et se retrouver dans “

À la recherche d'améliorations pour ses patients, Hammill a contacté Rogers, dont le laboratoire se spécialise dans le développement de solutions techniques pour relever les défis de santé. L'équipe de Rogers avait déjà développé une suite de dispositifs électroniques biorésorbables destinés à servir d'implants temporaires, notamment des stimulateurs cardiaques dissolvants, des stimulateurs nerveux et des analgésiques implantables.

Les systèmes biorésorbables ont éveillé l'intérêt de Hammill. Le plus grand risque de développer une fuite anastomotique survient trois jours ou deux semaines après la chirurgie.

“Nous aimons surveiller les complications des patients pendant environ 30 jours”, a déclaré Hammill. “Avoir un appareil qui dure un mois puis disparaît me semblait idéal.”







Amélioration de l'échographie

Au lieu de développer de nouveaux systèmes d'imagerie, Rogers a émis l'hypothèse que son équipe pourrait être en mesure d'améliorer les méthodes d'imagerie actuelles, leur permettant ainsi de « voir » des caractéristiques qui autrement seraient invisibles. La technologie des ultrasons présente déjà de nombreux avantages : elle est peu coûteuse, facilement disponible, ne nécessite pas d'équipement encombrant et n'expose pas les patients aux radiations ou à d'autres risques.

Mais il y a bien sûr un inconvénient majeur. La technologie des ultrasons, qui utilise des ondes sonores pour déterminer la position, la forme et la structure des organes, ne permet pas de différencier de manière fiable les différents fluides corporels. Le sang et le liquide gastrique, par exemple, semblent identiques.

“Les propriétés acoustiques des fluides qui s'échappent sont très similaires à celles des biofluides naturels et des tissus environnants”, a déclaré Rogers. “Le besoin clinique exige cependant une spécificité chimique, au-delà du cadre des mécanismes fondamentaux qui créent le contraste dans les images échographiques.”

En fin de compte, l'équipe de Rogers a conçu une approche pour surmonter cette limitation en utilisant de minuscules capteurs conçus pour être lisibles par imagerie ultrasonore. Plus précisément, ils ont créé un petit autocollant adhésif en tissu à partir d’un matériau hydrogel souple, chimiquement réactif. Ensuite, ils ont incorporé de minuscules disques métalliques fins comme du papier dans les fines couches de cet hydrogel. Lorsque l’autocollant entre en contact avec des fluides acides, tels que l’acide gastrique, il gonfle. Lorsque l'autocollant entre en contact avec des fluides caustiques, tels que des fluides pancréatiques, il se contracte.

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Rendre visible l'invisible

À mesure que l’hydrogel gonfle ou rétrécit en réponse au changement de pH, les disques métalliques s’écartent ou se rapprochent, respectivement. Ensuite, l’échographie peut visualiser ces changements subtils de placement.

“Comme les propriétés acoustiques des disques métalliques sont très différentes de celles des tissus environnants, ils offrent un très fort contraste dans les images échographiques”, a déclaré Rogers. “De cette façon, nous pouvons essentiellement” marquer “un organe à des fins de surveillance.” Parce que le besoin de surveillance ne s'étend que lors d'une récupération post-chirurgicale, l'équipe Rogers a conçu ces autocollants avec des matériaux biorésorbables. Ils disparaissent tout simplement de manière naturelle et sans danger dans l’organisme une fois qu’ils ne sont plus nécessaires.

Le collaborateur informatique Yonggang Huang, titulaire de la chaire Jan et Marcia Achenbach en génie mécanique et professeur de génie civil et environnemental à McCormick, a utilisé des techniques de simulation acoustique et mécanique pour guider les choix optimisés de matériaux et de dispositions de dispositifs afin d'assurer une haute visibilité dans les images échographiques, même pour autocollants situés à des endroits profonds du corps.

“Les tomodensitogrammes et les IRM prennent simplement une photo”, a ajouté Hammill. “Le liquide peut apparaître sur une image tomodensitométrique, mais il y a toujours des collections de liquide après la chirurgie. Nous ne savons pas s'il s'agit réellement d'une fuite ou d'un liquide abdominal normal. Les informations que nous obtenons du nouveau patch sont bien plus précieuses. Si nous pouvons voir que le pH est modifié, alors nous savons que quelque chose ne va pas. »

L'équipe de Rogers a fabriqué des autocollants de différentes tailles. Le plus grand mesure 12 millimètres de diamètre, tandis que le plus petit ne mesure que 4 millimètres de diamètre. Considérant que les disques métalliques mesurent chacun 1 millimètre ou moins, Rogers s'est rendu compte qu'il pourrait être difficile pour les radiologues d'évaluer les images manuellement. Pour surmonter ce défi, son équipe a également développé un logiciel capable d'analyser automatiquement les images pour détecter avec une grande précision tout mouvement relatif des disques.







Améliorer la qualité de vie

Pour évaluer l'efficacité du nouvel autocollant, l'équipe de Hammill l'a testé sur des modèles animaux petits et grands. Dans les études, l’imagerie par ultrasons a systématiquement détecté des changements dans l’autocollant changeant de forme, même lorsqu’il se trouvait à 10 centimètres de profondeur à l’intérieur des tissus. Lorsqu’il est exposé à des liquides dont le pH est anormalement élevé ou faible, l’autocollant change de forme en quelques minutes.

Rogers et Hammill imaginent que le dispositif pourrait être implanté à la fin d'une intervention chirurgicale. Ou, parce qu'il est petit et flexible, le dispositif s'adapte également (enroulé) à l'intérieur d'une seringue, que les cliniciens peuvent utiliser pour injecter l'étiquette dans le corps.

“Ces étiquettes sont si petites, si fines et si souples que les chirurgiens peuvent facilement en placer des collections à différents endroits”, a déclaré Rogers. “Par exemple, si une incision s'étend sur quelques centimètres de longueur, un ensemble de ces étiquettes peut être placé le long du site pour développer une carte du pH permettant de localiser précisément la position de la fuite.”

“Il s'agit évidemment d'un premier prototype, mais je peux imaginer le produit final dans lequel, à la fin de l'intervention chirurgicale, vous placeriez simplement ces petits patchs à des fins de surveillance”, a déclaré Hammill. “Il fait son travail puis disparaît complètement. Cela pourrait avoir un impact énorme sur les patients, leur temps de récupération et, à terme, leur qualité de vie.”

Ensuite, Rogers et son équipe explorent des étiquettes similaires qui pourraient détecter une hémorragie interne ou des changements de température. “La détection des changements de pH est un bon point de départ”, a déclaré Rogers. “Mais cette plateforme peut s'étendre à d'autres types d'applications grâce à l'utilisation d'hydrogels qui répondent à d'autres changements dans la chimie locale, ou à la température ou à d'autres propriétés d'importance clinique.”

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