Le innovazioni a ultrasuoni consentono vaccinazioni indolori e monitorano la dinamica muscolare in tempo reale – Physics World

Il Acustica 2023 Sydney La conferenza, organizzata congiuntamente dall'Acoustical Society of America e dall'Australian Acoustical Society, ha riunito acustici, ricercatori, musicisti e altri esperti da tutto il mondo per condividere gli ultimi sviluppi nel campo. Molti degli studi presentati descrivono applicazioni innovative dell’acustica nel settore sanitario, compreso l’uso della cavitazione acustica per la somministrazione di vaccini senza ago e un trasduttore a ultrasuoni indossabile che monitora la dinamica muscolare durante il recupero da un infortunio.

Gli ultrasuoni consentono una vaccinazione indolore

Darcy Dunn-Lawless dall’Università di Oxford Istituto di Ingegneria Biomedica hanno descritto l’uso degli ultrasuoni per la somministrazione di vaccini senza ago.

Con l'obiettivo di aggirare la paura degli aghi di cui soffrono molti adulti, e molti altri bambini, Dunn-Lawless e colleghi stanno sfruttando un effetto acustico chiamato cavitazione, in cui un'onda sonora provoca la formazione e lo scoppio di bolle. Quando queste bolle collassano, rilasciano un'esplosione concentrata di energia meccanica.

L'idea è di utilizzare queste esplosioni di energia in tre modi: per liberare i passaggi attraverso lo strato esterno delle cellule morte della pelle e consentire il passaggio delle molecole del vaccino; forzare attivamente le molecole del vaccino nel corpo; e per aprire le membrane cellulari all'interno del corpo. Per migliorare l’attività di cavitazione, i ricercatori hanno utilizzato particelle di dimensioni nanometriche chiamate nuclei proteici di cavitazione (PCaN) – essenzialmente particelle proteiche a forma di coppa – per supportare le bolle di gas.

Nei test sui topi, i ricercatori hanno confrontato la risposta immunitaria generata dalla vaccinazione intradermica standard di un vaccino a DNA rispetto all’approccio della cavitazione. Per la somministrazione basata sulla cavitazione, hanno mescolato PCaN con il vaccino a DNA in una camera posizionata sulla pelle dell’animale ed esposta agli ultrasuoni per due minuti.

Hanno scoperto che l’iniezione convenzionale rilasciava diversi ordini di grandezza in più di molecole di vaccino rispetto all’approccio della cavitazione. "Tuttavia, è qui che le cose si fanno interessanti", ha spiegato Dunn-Lawless in una conferenza stampa. “Quando si osserva la risposta immunitaria generata da entrambi questi metodi di somministrazione, la concentrazione di anticorpi, si può vedere che il gruppo sottoposto a cavitazione ha ricevuto una risposta immunitaria significativamente più elevata, anche se ha ricevuto molte meno molecole di vaccino”.

Ha notato che si tratta di un risultato particolarmente entusiasmante, in primo luogo perché conferma che è possibile somministrare vaccini in questo modo. Ma anche perché dimostra che la tecnica senza ago può, in teoria, consentire all’organismo di ottenere una maggiore risposta immunitaria con meno vaccino, rendendo la vaccinazione più efficiente.

Il meccanismo alla base di questo effetto non è ancora chiaro, ma Dunn-Lawless ha suggerito che potrebbe essere dovuto all’attività di cavitazione che apre le membrane cellulari e consente alle molecole di entrare nelle cellule. O in altre parole, anche se nel corpo entrano meno molecole, quelle che lo fanno entrano nel posto giusto. Ciò potrebbe essere particolarmente favorevole per i vaccini a DNA, che attualmente sono difficili da somministrare poiché devono entrare nella cellula per funzionare.

Monitoraggio del recupero muscolare in tempo reale

Il recupero da una lesione muscoloscheletrica può essere un processo lungo e difficile. È quindi importante monitorare i progressi del paziente mentre si sottopone alla riabilitazione e ricostruisce lentamente la forza muscolare. Ma le misurazioni dirette della funzione muscolare durante l’attività fisica non sono facilmente disponibili e poche tecnologie mediche possono essere utilizzate mentre il paziente è in movimento, il che può ostacolare il trattamento e la riabilitazione.

Un’opzione è l’ecografia, che può fornire immagini non invasive del tessuto sottocutaneo e rivelare come i diversi gruppi muscolari si muovono e si contraggono durante l’attività fisica dinamica. I sistemi a ultrasuoni tradizionali, tuttavia, sono grandi e ingombranti, richiedono che il paziente sia legato allo strumento e quindi non favoriscono l’imaging in tempo reale durante l’attività.

So Parag Chitnis della George Mason University e colleghi hanno deciso di costruire da zero il proprio dispositivo a ultrasuoni. Hanno progettato un sistema a ultrasuoni indossabile e compatto che si muove con il paziente e produce informazioni clinicamente rilevanti sulla funzione muscolare durante l'attività fisica.

Per fare ciò, i ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnologia a ultrasuoni che si basa sulla trasmissione di segnali acustici a bassa tensione e di lunga durata, in contrapposizione alle sequenze di impulsi ad altissima tensione e di breve durata utilizzate convenzionalmente. Ciò ha consentito loro di utilizzare componenti elettronici a basso costo, come quelli presenti in un’autoradio, per progettare un sistema a ultrasuoni più semplice e portatile che potesse essere alimentato da batterie e collegato a un paziente. Chiamano il nuovo approccio SMART-US, o valutazione muscoloscheletrica simultanea con ultrasuoni in tempo reale.

Il team ha testato l’approccio su un soggetto che eseguiva salti con contromovimento (un esercizio di routine per valutare la salute e la funzione degli arti inferiori e delle articolazioni del ginocchio) su una piastra di forza con un trasduttore a ultrasuoni collegato alla gamba. Il dispositivo SMART-US ha fornito feedback in tempo reale sul livello di attivazione e funzione muscolare durante i salti, con una correlazione significativa osservata tra i dati di forza e le misurazioni degli ultrasuoni. Chitnis ha aggiunto che la tecnica può essere utilizzata anche per esaminare diversi muscoli contemporaneamente.

"Il biofeedback basato sugli ultrasuoni può aiutare a personalizzare la terapia e la riabilitazione per migliorare i risultati del trattamento", ha spiegato in una conferenza stampa. “Altre applicazioni che prevediamo per la nostra tecnologia includono fitness personale, preparazione atletica e medicina sportiva, sanità militare, riabilitazione dopo ictus e valutazione del rischio di cadute nelle popolazioni anziane”.

Il prossimo obiettivo è il trasferimento di tecnologia, per sottoporre il dispositivo all’approvazione della FDA in modo che il team possa eseguire studi clinici per la riabilitazione. Andando avanti, Chitnis prevede che le cliniche potranno acquistare un sistema di livello base per poche centinaia di dollari.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/ultrasound-innovations-enable-pain-free-vaccination-monitor-muscle-dynamics-in-real-time/