Klein draadloos implantaat detecteert zuurstof diep in het lichaam

Ingenieurs hebben een klein draadloos implantaat gemaakt dat realtime metingen kan doen van het zuurstofgehalte in het weefsel diep onder de huid. Het apparaat, dat kleiner is dan het gemiddelde lieveheersbeestje en wordt aangedreven door ultrasone golven, maakt de weg vrij voor de creatie van een verscheidenheid aan geminiaturiseerde sensoren die belangrijke biochemische markers in het lichaam kunnen volgen, zoals pH of koolstofdioxide. Deze sensoren zouden artsen op een dag kunnen voorzien van minimaal invasieve methoden voor het bewaken van de biochemie in functionerende organen en weefsels.

Zuurstof is een belangrijk onderdeel van het vermogen van cellen om energie te benutten uit het voedsel dat we eten en bijna alle weefsels in het lichaam hebben een constante toevoer nodig om te overleven. De meeste methoden voor het meten van weefseloxygenatie kunnen alleen informatie geven over wat er aan de oppervlakte van het lichaam gebeurt. Deze methoden zijn namelijk afhankelijk van elektromagnetische golven, zoals infrarood licht, die maar enkele centimeters in huid- of orgaanweefsel kunnen doordringen. Hoewel er soorten magnetische resonantiebeeldvorming zijn die informatie kunnen geven over de zuurstofvoorziening van diep weefsel, vereisen ze lange scantijden en kunnen ze dus geen gegevens in realtime leveren.

Ultrasone golven, een vorm van geluid met een te hoge frequentie om door het menselijk oor te worden gedetecteerd, kunnen zich op veel grotere afstanden onschadelijk door het lichaam verplaatsen dan elektromagnetische golven en vormen nu al de basis van ultrasone beeldvormingstechnologie in de geneeskunde.

Het opnemen van de zuurstofsensor omvatte de integratie van zowel een LED-lichtbron als een optische detector in het kleine apparaat, evenals het ontwerpen van een meer gecompliceerde reeks elektronische bedieningselementen om de sensor te bedienen en uit te lezen. Dit type zuurstofsensor verschilt van de pulsoximeters die worden gebruikt om de zuurstofsaturatie in het bloed te meten. Terwijl pulsoximeters het aandeel hemoglobine in het bloed meten dat geoxygeneerd is, kan het nieuwe apparaat de hoeveelheid zuurstof in weefsel direct meten.

Een mogelijke toepassing van het apparaat is het monitoren van orgaantransplantaties, omdat in de maanden na orgaantransplantatie vasculaire complicaties kunnen optreden en deze complicaties kunnen leiden tot transplantaatdisfunctie. Het kan ook worden gebruikt om tumorhypoxie te meten, wat artsen kan helpen bij het sturen van kankerbestralingstherapie.

Bij premature baby's kan aanvullende zuurstof nodig zijn, maar artsen hebben geen betrouwbare weefseluitlezing van de zuurstofconcentratie. Verdere geminiaturiseerde versies van dit apparaat kunnen helpen om de zuurstofblootstelling bij te vroeg geboren baby's op de intensive care-afdeling beter te beheersen en om enkele van de negatieve gevolgen van overmatige blootstelling aan zuurstof, zoals retinopathie van prematuriteit of chronische longziekte, te minimaliseren.

De technologie kan verder worden verbeterd door de sensor zo te huisvesten dat deze langdurig in het lichaam kan overleven. Verdere miniaturisering van het apparaat zou ook het implantatieproces, dat momenteel een operatie vereist, vereenvoudigen. Bovendien kan het optische platform in de sensor gemakkelijk worden aangepast om andere biochemie in het lichaam te meten. Door gewoon het platform te veranderen dat voor de zuurstofsensor is gebouwd, kan het apparaat worden aangepast om bijvoorbeeld pH, reactieve zuurstofsoorten, glucose of koolstofdioxide te meten. Als de verpakking kleiner zou kunnen worden gemaakt, zou het apparaat met een naald of via laparoscopische chirurgie in het lichaam kunnen worden geïnjecteerd, waardoor de implantatie nog eenvoudiger wordt.