Ein Ultraschall-Aufkleber erkennt die sich verändernde Steifheit tiefer innerer Organe

MIT-Ingenieure haben einen Sensor entwickelt, der die Steifheit von Organen tief im Körper überwachen kann. Der Ultraschallaufkleber wird auf der Haut getragen und soll Krankheitszeichen wie Leber- und Nierenversagen sowie das Fortschreiten solider Tumoren erkennen.

In der Studie, die in der Fachzeitschrift „Science Advances“ erschienen ist, berichtet ein Forscherteam, dass der Sensor Schallwellen durch die Haut in den Körper senden kann, wo die Wellen von inneren Organen reflektiert und zurück zum Aufkleber gelangen. Das Muster der reflektierten Wellen kann als Zeichen der Organsteifigkeit gelesen werden, das der Aufkleber messen und verfolgen kann. „Mit diesem tragbaren Aufkleber können wir Veränderungen der Steifigkeit über lange Zeiträume hinweg kontinuierlich überwachen, was für die Früherkennung von Versagen innerer Organe von entscheidender Bedeutung ist“, erklärt Xuanhe Zhao, Professor für Maschinenbau am Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Das Team hat gezeigt, dass der Aufkleber die Steifheit von Organen über 48 Stunden hinweg kontinuierlich überwachen und subtile Veränderungen erkennen kann, die auf das Fortschreiten der Krankheit hinweisen könnten. In vorläufigen Experimenten fanden die Forscher heraus, dass der Klebesensor frühe Anzeichen eines akuten Leberversagens bei Ratten erkennen kann. Die Ingenieure arbeiten daran, das Design für den Einsatz am Menschen anzupassen. Sie stellen sich vor, dass der Aufkleber auf Intensivstationen verwendet werden könnte, wo die unauffälligen Sensoren kontinuierlich Patienten überwachen könnten, die sich von einer Organtransplantation erholen.

„Wir stellen uns vor, dass wir diesen Aufkleber direkt nach einer Leber- oder Nierentransplantation an einen Patienten kleben und beobachten könnten, wie sich die Steifheit des Organs über Tage hinweg verändert“, kommentiert der Hauptautor der Studie, Hsiao-Chuan Liu. „Wenn ein akutes Leberversagen frühzeitig diagnostiziert wird, können Ärzte sofort Maßnahmen ergreifen, anstatt zu warten, bis die Erkrankung schwerwiegend wird“, fügt er hinzu.

Design wird für den Einsatz am Menschen angepasst

„Nach einer Organtransplantation sind die ersten 72 Stunden auf der Intensivstation am wichtigsten“, berichtet Qifa Zhou, Professorin am USC. „Beim herkömmlichen Ultraschall muss man eine Sonde an den Körper halten. Aber das kann man nicht kontinuierlich und langfristig machen. Ärzte könnten einen entscheidenden Moment verpassen und zu spät erkennen, dass das Organ versagt“, fügt sie hinzu.

Das Team erkannte, dass es möglicherweise eine kontinuierlichere, tragbarere Alternative anbieten könnte. Ihre Lösung baut auf einem Ultraschallaufkleber auf, den sie zuvor entwickelt hatten, um tiefe Gewebe und Organe abzubilden. „Unser Bildaufkleber hat Longitudinalwellen erfasst, während wir dieses Mal Scherwellen erfassen wollten, die Ihnen die Steifheit des Organs verraten“, erklärt Zhao.

Bestehende Ultraschall-Elastrographie-Sonden messen die Vibration eines Organs als Reaktion auf Schallimpulse. Je schneller sich eine Scherwelle im Organ ausbreitet, desto steifer wird das Organ interpretiert. Das Team wollte die Ultraschall-Elastographie so miniaturisieren, dass sie auf einen Aufkleber in Briefmarkengröße passt. Sie wollten außerdem die gleiche Empfindlichkeit kommerzieller Handsonden beibehalten, die typischerweise etwa 128 piezoelektrische Wandler enthalten, von denen jeder ein eingehendes elektrisches Feld in ausgehende Schallwellen umwandelt.

„Wir verwendeten fortschrittliche Fertigungstechniken, um kleine Wandler aus hochwertigen piezoelektrischen Materialien zu schneiden, die es uns ermöglichten, miniaturisierte Ultraschallaufkleber zu entwerfen“, so Zhou. Die Forscher stellten präzise 128 Miniatur-Wandler her, die sie auf einem 25 Millimeter großen Chip integrierten. Sie bedeckten die Unterseite des Chips mit einem Klebstoff aus Hydrogel – einem klebrigen und dehnbaren Material, das aus einer Mischung aus Wasser und Polymer besteht und Schallwellen durchlässt nahezu verlustfrei in das Gerät ein- und ausfahren.

In vorläufigen Experimenten testete das Team den Steifheitssensoraufkleber an Ratten. Sie fanden heraus, dass die Aufkleber in der Lage waren, über 48 Stunden hinweg kontinuierliche Messungen der Lebersteifheit durchzuführen. Anhand der gesammelten Daten des Aufklebers beobachteten die Forscher klare und frühe Anzeichen eines akuten Leberversagens, die sie später anhand von Gewebeproben bestätigten. „Sobald die Leber versagt, nimmt die Steifheit des Organs um ein Vielfaches zu“, bemerkt Liu. „Man kann von einer gesunden Leber, die so wackelig ist wie ein weichgekochtes Ei, zu einer erkrankten Leber übergehen, die eher wie ein hartgekochtes Ei aussieht“, fügt Zhao hinzu und sagt weiter: „Und dieser Aufkleber kann diese Unterschiede tief im Inneren des Körpers erkennen und einen Alarm auslösen, wenn ein Organversagen auftritt.“

Das Team arbeitet mit Ärzten zusammen, um den Aufkleber für die Verwendung bei Patienten anzupassen, die sich auf der Intensivstation von einer Organtransplantation erholen. In diesem Szenario erwarten sie keine großen Änderungen am aktuellen Design des Aufklebers, da er auf die Haut eines Patienten geklebt werden kann und alle Schallwellen, die er sendet und empfängt, von der mit dem Aufkleber verbundenen Elektronik abgegeben und gesammelt werden können, ähnlich zu Elektroden und EKG-Geräten in einer Arztpraxis.

Die Forscher hoffen außerdem, den Aufkleber in eine tragbarere, in sich geschlossene Version umzuwandeln, bei der die gesamte zugehörige Elektronik und Verarbeitung miniaturisiert ist, um in einen etwas größeren Patch zu passen. Dann stellen sie sich vor, dass der Aufkleber von Patienten zu Hause getragen werden könnte, um den Zustand über längere Zeiträume hinweg kontinuierlich zu überwachen, beispielsweise das Fortschreiten solider Tumoren, die bekanntermaßen mit zunehmendem Schweregrad verhärten.

„Wir glauben, dass dies eine lebensrettende Technologie-Plattform ist“, betont Zhao. „Wir glauben, dass Menschen in Zukunft ein paar Aufkleber an ihren Körper kleben können, um viele lebenswichtige Signale zu messen und die Gesundheit wichtiger Organe im Körper abzubilden und zu verfolgen“, sagt er abschließend.