超音波技術の革新により、痛みのないワクチン接種が可能になり、筋肉のダイナミクスをリアルタイムで監視できる – Physics World

　 音響 2023 シドニー アメリカ音響協会とオーストラリア音響協会が共催するこのカンファレンスには、世界中から音響学者、研究者、音楽家、その他の専門家が集まり、この分野の最新の発展を共有しました。発表された研究のいくつかでは、針を使わないワクチン投与のための音響キャビテーションの使用や、損傷からの回復中の筋肉のダイナミクスを追跡するウェアラブル超音波トランスデューサーなど、ヘルスケアにおける音響の革新的な応用について説明しています。

超音波により痛みのないワクチン接種が可能になります

ダーシー・ダン＝ローレス オックスフォード大学の 生体医工学研究所 は、ワクチンを針を使わずに送達するための超音波の使用について説明しました。

多くの大人やさらに多くの子供たちが経験している針への恐怖を回避することを目的として、Dunn-Lawless らはキャビテーションと呼ばれる音響効果を利用しています。キャビテーションでは、音波が泡の形成と破裂を引き起こします。これらの泡が崩壊すると、集中した機械的エネルギーが放出されます。

このアイデアは、これらのエネルギーバーストを 3 つの方法で使用することです。1 つは死んだ皮膚細胞の外層を通る通路をクリアし、ワクチン分子が通過できるようにすることです。ワクチン分子を積極的に体内に押し込むこと。そして体内の細胞膜を開きます。キャビテーション活動を強化するために、研究者らは、タンパク質キャビテーション核（PCaN）と呼ばれるナノメートルサイズの粒子（本質的にはカップ状のタンパク質粒子）を使用して気泡をサポートした。

研究者らはマウスを使った試験で、DNAワクチンの標準的な皮内ワクチン接種とキャビテーションアプローチによって生じる免疫反応を比較した。キャビテーションベースの送達では、動物の皮膚の上に置かれたチャンバー内で PCaN と DNA ワクチンを混合し、2 分間超音波を照射しました。

彼らは、従来の注射がキャビテーションアプローチよりも数桁多くのワクチン分子を送達することを発見した。 「しかし、ここからが興味深いところです」とダン＝ローレス氏は記者会見で説明した。 「これらの両方の送達方法によって生じた免疫応答、つまり抗体濃度を見ると、キャビテーション群は、投与したワクチンの分子数が非常に少なかったにもかかわらず、著しく高い免疫応答を受けたことがわかります。」

同氏は、第一に、この方法でワクチンを投与することが可能であることが確認されたため、これは特に興味深い結果であると述べた。しかし、理論的には、針を使わない技術により、より少ないワクチンで体がより大きな免疫反応を達成でき、ワクチン接種がより効率的になることが示されたためでもあります。

この効果の根底にあるメカニズムはまだ明らかではありませんが、Dunn-Lawless 氏は、細胞膜を開いて分子を細胞内に侵入させるキャビテーション活動によるものである可能性があると示唆しました。言い換えれば、体内に入る分子は少なくても、体内に入る分子は正しい場所に入るということです。これは DNA ワクチンにとって特に有利となる可能性がありますが、ワクチンが機能するには細胞内に到達する必要があるため現在は送達が困難です。

筋肉の回復をリアルタイムでモニタリング

筋骨格系損傷からの回復は長くて困難なプロセスとなる可能性があります。したがって、リハビリテーションを受けて筋力をゆっくりと回復させながら、患者の進行状況を追跡することが重要です。しかし、身体活動中の筋肉機能を直接測定することは容易ではなく、患者が動いている間に使用できる医療技術もほとんどないため、治療やリハビリテーションが妨げられる可能性があります。

選択肢の 1 つは超音波検査です。超音波検査では、皮膚の下の組織の非侵襲的な画像を提供し、動的身体活動中にさまざまな筋肉群がどのように動き、収縮するかを明らかにできます。しかし、従来の超音波システムは大きくて扱いにくく、患者を器具に固定する必要があるため、活動中のリアルタイム画像化には役に立ちません。

So パラグ・チトニス ジョージ・メイソン大学の博士らは、独自の超音波装置をゼロから構築することにしました。彼らは、患者と一緒に移動し、身体活動中の筋肉機能に関する臨床的に関連した情報を生成する、コンパクトなウェアラブル超音波システムを設計しました。

これを実現するために、研究者らは、従来使用されていた非常に高電圧で持続時間の短いパルスシーケンスではなく、低電圧で持続時間の長いチャープの送信に依存する新しい超音波技術を開発しました。これにより、カーラジオに搭載されているような低コストの電子部品を使用して、電池で駆動して患者に装着できる、よりシンプルでポータブルな超音波システムを設計できるようになりました。彼らはこの新しいアプローチを SMART-US、つまりリアルタイム超音波による同時筋骨格評価と呼んでいます。

研究チームは、脚に取り付けられた超音波トランスデューサーを備えたフォースプレート上で逆運動ジャンプ（下肢と膝関節の健康と機能を評価するための日常的な運動）を実行する被験者でこのアプローチをテストしました。 SMART-US デバイスは、ジャンプ中の筋肉の活性化と機能のレベルに関するリアルタイムのフィードバックを提供し、力のデータと超音波測定の間には有意な相関関係が見られました。 Chitnis 氏は、この技術は複数の異なる筋肉を同時に検査するためにも使用できると付け加えました。

「超音波ベースのバイオフィードバックは、治療とリハビリテーションを個人に合わせて治療結果を改善するのに役立ちます」と同氏は記者会見で説明した。 「私たちが当社のテクノロジーで想定しているその他の用途には、個人のフィットネス、運動トレーニングとスポーツ医学、軍の健康、脳卒中リハビリテーション、高齢者の転倒リスクの評価などが含まれます。」

次の目標は技術移転であり、チームがリハビリテーションのための臨床研究を実施できるように、デバイスを FDA の認可に通すことです。今後、クリニックは基本レベルのシステムをわずか数百ドルで購入できるようになるだろうとチトニス氏は構想している。

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