Istraživači sa Univerziteta Northvestern razvili su prvi elektronski uređaj za kontinuirano praćenje zdravlja transplantiranih organa u realnom vremenu.
Sedeći direktno na transplantiranom bubregu, ultratanak, mekani implantat može da otkrije temperaturne nepravilnosti povezane sa upalom i drugim reakcijama tela koje nastaju odbacivanjem transplantata. Zatim upozorava pacijenta ili lekara bežičnim strimingom podataka na obližnji pametni telefon ili tablet.
U novoj studiji, istraživači su testirali uređaj na modelu male životinje sa transplantiranim bubrezima i otkrili da je uređaj otkrio znake upozorenja odbacivanja do tri nedelje ranije od trenutnih metoda praćenja. Ovo dodatno vreme bi moglo omogućiti lekarima da intervenišu ranije, poboljšavajući ishode i dobrobit pacijenata, kao i povećavajući šanse za očuvanje doniranih organa, koji su sve dragoceniji zbog rastuće potražnje usred krize nedostatka organa.
Studija je objavljena 8. septembra u časopisu Science.
Odbacivanje se može desiti u bilo kom trenutku nakon transplantacije – odmah nakon transplantacije ili godinama kasnije. Često je tiho, a pacijenti možda neće imati simptome, rekli su autori studije. Surabhi Madhvapathi ispituje senzore u laboratoriji. Kredit: Northvestern Universiti
„Primetio sam da mnogi moji pacijenti osećaju stalnu anksioznost – ne znajući da li njihovo telo odbacuje njihov presađeni organ ili ne“, rekao je dr Lorenco Galon, nefrolog za transplantaciju Severnozapadne medicine, koji je vodio klinički deo studije.
„Možda su godinama čekali na transplantaciju, a onda su je konačno primili od voljene osobe ili preminulog donora. Onda provode ostatak života brinući o zdravlju tog organa. Naš novi uređaj bi mogao da pruži određenu zaštitu i kontinuirano praćenje. može pružiti sigurnost i duševni mir.“
John A. Rogers iz Northvesterna, pionir bioelektronike koji je vodio razvoj uređaja, rekao je da je ključno identifikovati događaje odbijanja čim se dogode.
„Ako se odbacivanje otkrije rano, lekari mogu da isporuče terapije protiv odbacivanja kako bi poboljšali zdravlje pacijenta i sprečili ih da izgube donirani organ“, rekao je Rodžers. „U najgorem slučaju, ako se odbacivanje zanemari, to bi moglo biti opasno po život. Što ranije možete uhvatiti odbijanje i angažovati terapije, to bolje. Razvili smo ovaj uređaj imajući to na umu.“
„Svaki pojedinac različito reaguje na terapiju protiv odbacivanja“, rekao je Surabhi Madhvapathi, postdoktorski istraživač u Rodžersovoj laboratoriji i prvi autor rada. „Praćenje zdravlja transplantiranog organa pacijenta u realnom vremenu je kritičan korak ka personalizovanom doziranju i lekovima.
Galon je takođe profesor nefrologije i hipertenzije i transplantacije organa na Medicinskom fakultetu Univerziteta Northvestern Feinberg. Rodžers je profesor nauke o materijalima i inženjeringa, biomedicinskog inženjeringa i neurološke hirurgije Louis Simpson i Kimberli Kuerrei na Northvestern McCormick School of Engineering i direktor Instituta za bioelektroniku Kuerrei Simpson (KSIB). Galon i Rodžers zajedno su vodili studiju sa dr Dženi Džang, profesorkom istraživanja transplantacije organa u Fajnbergu.
Za više od 250.000 ljudi u SAD koji žive sa transplantiranim bubregom, praćenje zdravlja njihovih organa je stalno putovanje. Najlakši način za praćenje zdravlja bubrega je merenje određenih markera u krvi.
Praćenjem pacijentovog kreatinina i nivoa azota ureje u krvi, lekari mogu da steknu uvid u funkciju bubrega. Ali nivoi kreatinina i azota ureje u krvi mogu da variraju iz razloga koji nisu povezani sa odbacivanjem organa, tako da praćenje ovih biomarkera nije ni osetljivo ni specifično, što ponekad dovodi do lažnih negativnih ili pozitivnih rezultata.
Trenutni „zlatni standard“ za otkrivanje odbacivanja je biopsija, u kojoj lekar koristi dugačku iglu da izvuče uzorak tkiva iz transplantiranog organa, a zatim analizira uzorak na znake predstojećeg odbacivanja. Ali invazivne procedure poput biopsije nose rizik od višestrukih komplikacija, uključujući krvarenje, infekciju, bol, pa čak i nenamerno oštećenje obližnjih tkiva.
„Vreme obrta može biti prilično dugo, a oni su ograničeni u frekvencijama praćenja i zahtevaju analizu van lokacije“, rekao je Galon. „Možda će biti potrebno četiri ili pet dana da se rezultati vrate. I ta četiri ili pet dana mogu biti presudna za donošenje pravovremene odluke za negu pacijenta.“
Nasuprot tome, novi bioelektronski implant kompanije Northvestern prati nešto mnogo jednostavnije i pouzdanije: temperaturu. Pošto povećanje temperature obično prati upalu, istraživači su pretpostavili da bi detektovanje anomalnog povećanja temperature i neuobičajene varijacije temperature mogle da pruže rani znak upozorenja za potencijalno odbacivanje transplantata.
Studija na životinjama je upravo to potvrdila. U studiji, istraživači su primetili da se lokalna temperatura transplantiranog bubrega povećava—ponekad i za 0,6°C—pre događaja odbacivanja.
Kod životinja bez imunosupresivnih lekova, temperatura je porasla dva ili tri dana pre nego što su se biomarkeri promenili u uzorcima krvi. Kod životinja koje su uzimale imunosupresivne lekove, temperatura ne samo da se povećala, već je pokazala i dodatne varijacije čak tri nedelje pre nego što su se povećali kreatinin i azot ureje u krvi.
„Temperatura organa varira tokom dnevnog ciklusa u normalnim okolnostima“, rekao je Madhvapathi. „Uočili smo abnormalne varijacije temperature veće frekvencije koje su se dešavale tokom perioda od osam i 12 sati u slučajevima odbacivanja transplantata.
Galon je rekao: „Histološko oštećenje se javlja čak i kada je kreatinin normalan. Iako je funkcija bubrega normalna, znaci odbacivanja u krvi možda zaostaju nekoliko dana.“
Ne samo da novi uređaj detektuje znake odbijanja ranije od drugih metoda, već nudi i kontinuirano praćenje u realnom vremenu. Odmah nakon operacije transplantacije, pacijenti mogu dobiti krvne pretrage više od jednom nedeljno. Ali, vremenom, testovi krvi postaju sve ređi, ostavljajući pacijente u mraku nedeljama.
Dr Hoakin Brieva, dermatolog iz severozapadne medicine, upoznat je sa čekanjem i čudom. Rođena sa urođenim oblikom bubrežne bolesti, Brieva je dobila transplantaciju bubrega u septembru 2022.
„U roku od dva dana od moje transplantacije, moja bubrežna funkcija se vratila u normalu“, rekla je Brieva, koja nije bila uključena u studiju. „Ali onda brinete o mogućnosti odbacivanja bubrega. Zato imate ove moćne lekove protiv odbacivanja i steroide. Hodate po konopcu anksioznosti zbog infekcija, komplikacija od lekova, raznih nuspojava i odbacivanja bubrega.“ Neke od tih briga možete da rešite prilagođavanjem lekova, ali odbacivanje bubrega i dalje preovlađuje. Vaš transplantirani bubreg je izuzetno dragocen, tako da je to bila moja najveća briga.“
„Nije da možemo samo utrostručiti ili četvorostruko povećati lekove protiv odbacivanja da bismo izbegli odbacivanje jer ovi lekovi nose sopstvene rizike“, rekao je Galon. „Imunosupresivi mogu sniziti ceo imuni sistem i povezani su sa infekcijama, pa čak i rakom. Ne želimo da povećavamo doze osim ako ne postoji znak da to apsolutno moramo.“
Za Brievu, koja je izgubila devet članova porodice zbog bubrežne insuficijencije, i za druge primaoce organa, uređaj koji kontinuirano prati zdravlje organa mogao bi da pomogne da se izbegnu nepotrebni lekovi, istovremeno pružajući toliko potreban mir.
„Posedovanje ovog uređaja bi bilo umirujuće“, rekao je on. „Može da pokupi sve iznenadne promene u transplantaciji bubrega i otkrije akutno odbacivanje, koje trenutno ne daje znake upozorenja.“
Sam senzor je mali. Sa samo 0,3 centimetra širine, 0,7 centimetara dugačke i 220 mikrona debljine, manji je od ružičastog nokta i otprilike širine jedne dlake. Da bi ga pričvrstili za bubreg, Rodžers i njegov tim su iskoristili prirodnu biologiju organa. Ceo bubreg je inkapsuliran vlaknastim slojem, koji se zove bubrežna kapsula, koja štiti organ od oštećenja. Rogersov tim je dizajnirao senzor tako da stane odmah ispod sloja kapsule, gde se čvrsto naslanja na bubreg.
„Kapsula održava uređaj u dobrom termičkom kontaktu sa bubrezima“, rekao je Rodžers. „Tela se kreću, tako da postoji mnogo pokreta sa kojima se treba nositi. Čak se i sam bubreg pomera. I to je meko tkivo bez dobrih sidrišta za šavove. To su bili zastrašujući inženjerski izazovi, ali ovaj uređaj je nežan, besprekoran interfejs koji izbegava rizik oštećenje organa“.
Uređaj sadrži visoko osetljiv termometar, koji može da otkrije neverovatno male (0,004° Celzijusa) temperaturne varijacije na bubregu—i samo bubregu. (Senzor takođe meri protok krvi, iako su istraživači otkrili da je temperatura bolji pokazatelj odbacivanja.)
Senzori se zatim povezuju sa malim paketom elektronike — uključujući minijaturnu dugmastu bateriju za napajanje — koja se nalazi pored bubrega i koristi Bluetooth tehnologiju za kontinuirano i bežično slanje podataka na spoljne uređaje.
„Sve elektronske komponente su obložene mekom, biokompatibilnom plastikom koja je nežna i fleksibilna prema delikatnim tkivima bubrega“, rekao je Madhvapathi. „Hirurško umetanje celog sistema, koji je manji od četvrtine, je brza i laka procedura.“
„Zamišljamo da bi hirurg mogao da implantira uređaj odmah nakon operacije transplantacije, dok je pacijent još u operacionoj sali“, rekao je Rodžers. „Onda može pratiti bubreg bez potrebe za dodatnim procedurama.“
Nakon uspeha ispitivanja na malim životinjama, istraživači sada testiraju sistem na većem životinjskom modelu. Rodžers i njegov tim takođe procenjuju načine za punjenje dugmaste baterije tako da može da traje doživotno.
Dok su primarne studije sprovedene sa transplantacijom bubrega, istraživači pretpostavljaju da bi to moglo da funkcioniše i za druge transplantacije organa, uključujući jetru i pluća i druge modele bolesti.
