I ricercatori della Northwestern University hanno sviluppato il primo dispositivo elettronico per il monitoraggio continuo e in tempo reale della salute degli organi trapiantati. La tecnologia wireless rileva i segnali di allarme fino a tre settimane prima rispetto ai metodi attuali
Posizionato direttamente su un rene trapiantato, l’impianto ultrasottile e morbido è in grado di rilevare irregolarità della temperatura associate all’infiammazione e ad altre risposte del corpo che si verificano con il rigetto del trapianto. Quindi, avvisa il paziente o il medico trasmettendo i dati in modalità wireless a uno smartphone o tablet nelle vicinanze.
In un nuovo studio, i ricercatori hanno testato il dispositivo su un modello animale di piccole dimensioni con reni trapiantati e hanno scoperto che il dispositivo rilevava segnali di allarme di rigetto fino a tre settimane prima rispetto agli attuali metodi di monitoraggio.
Un sensore sul polpastrello. Credito immagine: Northwestern University
Questo tempo extra potrebbe consentire ai medici di intervenire prima, migliorando i risultati e il benessere dei pazienti, nonché aumentando le probabilità di preservare gli organi donati, che sono sempre più preziosi a causa della crescente domanda in un contesto di crisi di carenza di organi.
IL lo studio pubblicherà sulla rivista Scienza.
Il rigetto può verificarsi in qualsiasi momento dopo un trapianto: immediatamente dopo il trapianto o anni dopo. Spesso è silenzioso e i pazienti potrebbero non manifestare sintomi, hanno affermato gli autori dello studio.
“Ho notato che molti dei miei pazienti provano un’ansia costante, non sapendo se il loro corpo sta rigettando o meno l’organo trapiantato”, ha detto Dott. Lorenzo Galloneun nefrologo specializzato in trapianti della Northwestern Medicine, che ha guidato la parte clinica dello studio.
“Potrebbero aver aspettato anni per un trapianto e poi alla fine ne hanno ricevuto uno da una persona cara o da un donatore deceduto. Quindi trascorrono il resto della vita a preoccuparsi della salute di quell’organo. Il nostro nuovo dispositivo potrebbe offrire una certa protezione e il monitoraggio continuo potrebbe fornire rassicurazione e tranquillità”.
L’intero sistema elettronico è più piccolo di un quarto. Credito immagine: Northwestern University
Quello della Nordovest John A. Rogersun pioniere della bioelettronica che ha guidato lo sviluppo del dispositivo, ha affermato che è fondamentale identificare gli eventi di rigetto non appena si verificano.
“Se il rigetto viene rilevato precocemente, i medici possono somministrare terapie antirigetto per migliorare la salute del paziente e impedire loro di perdere l’organo donato”, ha affermato Rogers.
“Nella peggiore delle ipotesi, se il rifiuto viene ignorato, potrebbe essere pericoloso per la vita. Prima riesci a cogliere il rifiuto e ad avviare terapie, meglio è. Abbiamo sviluppato questo dispositivo pensando a questo”.
“Ogni individuo risponde alla terapia anti-rigetto in modo diverso”, ha detto Surabhi Madhvapathy, uno studente laureato nel laboratorio di Rogers e primo autore dell’articolo. “Il monitoraggio in tempo reale della salute dell’organo trapiantato del paziente è un passo fondamentale verso un dosaggio e una medicina personalizzati”.
Gallon è anche professore di nefrologia, ipertensione e trapianti di organi Scuola di Medicina Feinberg della Northwestern University.
Rogers è Louis Simpson e Kimberly Querrey professore di scienza e ingegneria dei materiali, ingegneria biomedica e chirurgia neurologica alla Northwestern’s Scuola di Ingegneria McCormick e direttore della Istituto Querrey Simpson per la bioelettronica (QSIB).
Gallon e Rogers hanno co-condotto lo studio La dottoressa Jenny Zhangprofessore di ricerca sui trapianti di organi a Feinberg.
Le attuali sfide del monitoraggio
Per le oltre 250.000 persone che negli Stati Uniti vivono con un rene trapiantato, monitorare la salute del proprio organo è un viaggio continuo. Il modo più semplice per monitorare la salute dei reni è misurare alcuni marcatori nel sangue.
Monitorando i livelli di creatinina e di azoto ureico nel sangue del paziente, i medici possono ottenere informazioni dettagliate sulla funzionalità renale. Ma i livelli di creatinina e di azoto ureico nel sangue possono fluttuare per ragioni non correlate al rigetto dell’organo, quindi il monitoraggio di questi biomarcatori non è né sensibile né specifico, a volte porta a falsi negativi o positivi.
L’attuale “gold standard” per rilevare il rigetto è una biopsia, in cui un medico utilizza un lungo ago per estrarre un campione di tessuto dall’organo trapiantato e quindi analizza il campione per rilevare segni di rigetto imminente.
Ma le procedure invasive come le biopsie comportano rischi di molteplici complicazioni, tra cui sanguinamento, infezioni, dolore e persino danni involontari ai tessuti vicini.
Altri nuovi biomarcatori nel sangue possono essere utilizzati insieme al monitoraggio dei livelli di creatinina e di azoto ureico nel sangue dei pazienti, ma questi hanno valori predittivi positivi non ottimali.
“I tempi di consegna possono essere piuttosto lunghi, le frequenze di monitoraggio sono limitate e richiedono analisi fuori sede”, ha affermato Gallon. “Potrebbero essere necessari quattro o cinque giorni per ottenere i risultati. E quei quattro o cinque giorni potrebbero essere cruciali per prendere una decisione tempestiva per la cura del paziente”.
Tempi e temperatura
Il nuovo impianto bioelettronico della Northwestern, al contrario, monitora qualcosa di molto più semplice e affidabile: la temperatura.
Poiché l’aumento della temperatura tipicamente accompagna l’infiammazione, i ricercatori hanno ipotizzato che il rilevamento di aumenti anomali della temperatura e variazioni insolite della temperatura potrebbe fornire un segnale di allarme precoce per un potenziale rigetto del trapianto.
Lo studio sugli animali ha confermato proprio questo. Nello studio, i ricercatori hanno notato che la temperatura locale di un rene trapiantato aumenta – a volte fino a 0,6 gradi Celsius – prima degli eventi di rigetto.
Negli animali senza farmaci immunosoppressori, la temperatura è aumentata due o tre giorni prima che i biomarcatori cambiassero nei campioni di sangue. Negli animali che assumevano farmaci immunosoppressori, la temperatura non solo aumentava, ma mostrava anche ulteriori variazioni fino a tre settimane prima dell’aumento della creatinina e dell’azoto ureico nel sangue.
“La temperatura degli organi fluttua nel corso di un ciclo giornaliero in circostanze normali”, ha detto Madhvapathy. “Abbiamo osservato variazioni anomale della temperatura con frequenza più elevata che si verificano in periodi di 8 e 12 ore nei casi di rigetto del trapianto”.
Detto Gallon: “Il danno istologico si verifica anche quando la creatinina è normale. Anche se la funzione renale sembra normale, i segni di rigetto nel sangue potrebbero ritardare di qualche giorno”.
Il nuovo dispositivo non solo rileva i segnali di rigetto prima rispetto ad altri metodi, ma offre anche un monitoraggio continuo e in tempo reale. Subito dopo gli interventi di trapianto, i pazienti potrebbero sottoporsi a esami del sangue più di una volta alla settimana. Ma, col passare del tempo, gli esami del sangue diventano meno frequenti, lasciando i pazienti all’oscuro per settimane.
Il paziente “cammina sul filo del rasoio”
Il dottor Joaquin Brieva, un dermatologo della Northwestern Medicine, ha familiarità con l’attesa e le domande. Nato con una forma congenita di malattia renale, Brieva ha ricevuto un trapianto di rene nel settembre 2022.
“Entro due giorni dal trapianto, la mia funzione renale era tornata alla normalità”, ha detto Brieva, che non era coinvolta nello studio.
“Ma poi ti preoccupi della possibilità di rigetto renale. Ecco perché hai questi potenti farmaci antirigetto e steroidi. Stai camminando sul filo dell’ansia per le infezioni, le complicazioni dei farmaci, i vari effetti collaterali e il rigetto del rene. È possibile gestire parte di questa preoccupazione con aggiustamenti dei farmaci, ma il rigetto renale rimane prevalente. Il tuo rene trapiantato è estremamente prezioso, quindi questa era la mia più grande preoccupazione”.
“Non è che possiamo semplicemente triplicare o quadruplicare i farmaci anti-rigetto per evitare un rigetto perché questi farmaci comportano i propri rischi”, ha detto Gallon.
“Gli immunosoppressori possono indebolire l’intero sistema immunitario e sono associati a infezioni e persino al cancro. Non vogliamo aumentare i dosaggi a meno che non vi sia il segnale che ne abbiamo assolutamente bisogno”.
Per Brieva, che ha perso nove membri della famiglia a causa di insufficienza renale, e per altri riceventi di organi, un dispositivo che monitora continuamente la salute degli organi potrebbe aiutare a evitare farmaci non necessari fornendo allo stesso tempo la necessaria tranquillità.
“Avere questo dispositivo sarebbe rassicurante”, ha detto. “Può rilevare qualsiasi cambiamento improvviso nel trapianto di rene e rilevare il rigetto acuto, che attualmente non dà segnali di allarme”.
Informazioni sul dispositivo
Il sensore stesso è minuscolo. Con appena 0,3 centimetri di larghezza, 0,7 centimetri di lunghezza e 220 micron di spessore, è più piccolo dell’unghia di un mignolo e largo circa quanto un singolo capello. Per fissarlo al rene, Rogers e il suo team hanno sfruttato la biologia naturale dell’organo.
L’intero rene è incapsulato da uno strato fibroso, chiamato capsula renale, che protegge l’organo dai danni. Il team di Rogers ha progettato il sensore in modo che si adatti appena sotto lo strato della capsula, dove poggia comodamente contro il rene.
“La capsula mantiene il dispositivo in buon contatto termico con il rene sottostante”, ha detto Rogers. “I corpi si muovono, quindi c’è molto movimento da affrontare. Anche il rene stesso si muove. Ed è tessuto molle senza buoni punti di ancoraggio per le suture. Si trattava di sfide ingegneristiche scoraggianti, ma questo dispositivo è un’interfaccia delicata e senza soluzione di continuità che evita il rischio di danni all’organo”.
Il dispositivo contiene un termometro altamente sensibile, in grado di rilevare variazioni di temperatura incredibilmente lievi (0,004 gradi Celsius) sul rene – e solo sul rene. (Il sensore misura anche il flusso sanguigno, sebbene i ricercatori abbiano scoperto che la temperatura era un indicatore migliore del rigetto.)
I sensori vengono quindi collegati a un minuscolo pacchetto di componenti elettronici – inclusa una batteria a bottone in miniatura per l’alimentazione – che si trova accanto al rene e utilizza la tecnologia Bluetooth per trasmettere i dati in modo continuo e in modalità wireless a dispositivi esterni.
“Tutti i componenti elettronici sono racchiusi in una plastica morbida e biocompatibile che è delicata e flessibile contro i delicati tessuti dei reni”, ha detto Madhvapathy. “L’inserimento chirurgico dell’intero sistema, che è più piccolo di un quarto, è una procedura semplice e veloce.”
“Immaginiamo che un chirurgo possa impiantare il dispositivo immediatamente dopo l’intervento di trapianto, mentre il paziente è ancora in sala operatoria”, ha detto Rogers. “Quindi, può monitorare il rene senza richiedere ulteriori procedure”.
Qual è il prossimo?
Dopo il successo della sperimentazione sui piccoli animali, i ricercatori stanno ora testando il sistema in un modello animale più grande. Rogers e il suo team stanno anche valutando modi per ricaricare la batteria a bottone in modo che possa durare tutta la vita.
Sebbene gli studi primari siano stati condotti con trapianti di rene, i ricercatori presumono che potrebbe funzionare anche per altri trapianti di organi, inclusi fegato e polmoni e per altri modelli di malattie.
Lo studio, “Sistemi bioelettronici impiantabili per la diagnosi precoce del rigetto del trapianto di rene”, è stato sostenuto dalla National Science Foundation e da una borsa di ricerca studentesca Alpha Omega Alpha Carolyn L. Kuckein.
Fonte: Università nordoccidentale
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
