6. September 2023 – Sie haben sich geschnitten. Du legst einen Verband an. In etwa einer Woche heilt Ihre Wunde.
Die meisten Menschen halten diese Routine für selbstverständlich. Aber für die mehr als 8,2 Millionen Amerikaner, die chronische Wunden haben, ist das nicht so einfach.
Traumatische Verletzungen, postoperative Komplikationen, fortgeschrittenes Alter und chronische Krankheiten wie Diabetes und Gefäßerkrankungen können den heiklen Heilungsprozess stören und zu Wunden führen, die Monate oder Jahre anhalten.
Unbehandelt ca 30 % zur Amputation führen. Und neuere Studien zeigen, dass das Risiko, innerhalb von fünf Jahren an einer chronischen Wundkomplikation zu sterben, mit dem der meisten Menschen vergleichbar ist Krebserkrankungen.
Doch bis vor Kurzem hatte die Medizintechnik nicht mit der nach Expertenmeinung zunehmenden Bedrohung für die Öffentlichkeit Schritt gehalten Gesundheit.
„Wundversorgung existiert – trotz all der Milliarden verkaufter Produkte – immer noch auf einem mittelalterlichen Niveau“, sagte Geoffrey Gurtner, MD, Vorsitzender der Abteilung für Chirurgie und Professor für biomedizinische Technik am University of Arizona College of Medizin. „Wir tragen immer noch Umschläge und Salben auf … und wenn es um die Diagnose von Infektionen geht, ist das wirklich eine Kunst. Ich denke, wir können es besser machen.
Old-School-Verband trifft auf KI
Gurtner gehört zu Dutzenden von Klinikern und Forschern, die den einfachen Verband neu erfinden – indem sie modernste Materialwissenschaft mit künstlicher Intelligenz (KI) und Patientendaten kombinieren, um „intelligente Bandagen“ zu entwickeln, die weit mehr tun, als nur eine Wunde abzuschirmen.
Eines baldigen Tages könnten diese hauchdünnen Bandagen mit eingebetteter miniaturisierter Elektronik den Heilungsprozess in Echtzeit überwachen und den Patienten – oder einen Arzt – alarmieren, wenn etwas schief geht. Durch Drücken einer Smartphone-Taste könnte dieser Verband Medikamente zur Bekämpfung einer Infektion oder einen elektrischen Impuls zur Anregung der Heilung abgeben.
Einige „Closed-Loop“-Designs erfordern keine Eingabeaufforderung, sondern überwachen stattdessen die Wunde und versorgen sie automatisch mit dem, was sie benötigt.
Andere, die sich in der Entwicklung befinden, könnten die Blutung einer Schlachtfeldwunde stoppen oder die Heilung einer Explosionswunde ankurbeln und so einer längerfristigen Behinderung vorbeugen.
Dieselben Technologien könnten – wenn der Preis stimmt – auch bei kleineren Schnitten und Schürfwunden die Heilung beschleunigen und die Narbenbildung reduzieren, sagte Gurtner.
Und im Gegensatz zu vielen hochmodernen medizinischen Innovationen könnten diese Bandagen der nächsten Generation relativ kostengünstig hergestellt werden und einigen der am stärksten gefährdeten Bevölkerungsgruppen zugute kommen, darunter ältere Erwachsene, Menschen mit niedrigem Einkommen und Menschen in Entwicklungsländern.
Sie könnten auch dem Gesundheitssystem Geld sparen, da die USA jährlich mehr als 28 Milliarden US-Dollar für die Behandlung chronischer Erkrankungen ausgeben Wunden.
„Dies ist ein Zustand, den viele Patienten als beschämend und peinlich empfinden, daher gab es nicht viel Fürsprache“, sagte Gurtner, scheidender Vorstandsvorsitzender der Wound Healing Society. „Es ist ein relativ ignoriertes Problem, das eine unterversorgte Bevölkerung betrifft und enorme Kosten verursacht. Es ist ein perfekter Sturm.“
Wie Wunden heilen oder nicht
Die Wundheilung ist einer der komplexesten Prozesse des Menschen Körper.
Die ersten Blutplättchen strömen zur Verletzung und lösen eine Blutgerinnung aus. Dann stoßen Immunzellen Verbindungen aus, die als entzündliche Zytokine bezeichnet werden und dabei helfen, Krankheitserreger abzuwehren und Infektionen in Schach zu halten. Andere Verbindungen, darunter Stickstoffmonoxid, regen das Wachstum neuer Blutgefäße und Kollagen an, um Haut und Bindegewebe wieder aufzubauen. Während sich die Entzündung verlangsamt und aufhört, formiert sich das Fleisch weiter.
Einige Erkrankungen können den Prozess jedoch verzögern, häufig im entzündlichen Stadium.
Bei Menschen mit Diabetes neigen hohe Glukosewerte und eine schlechte Durchblutung dazu, den Prozess zu sabotieren. Und Menschen mit Nervenschäden aufgrund von Rückenmarksverletzungen, Diabetes oder anderen Krankheiten können es möglicherweise nicht spüren, wenn sich eine Wunde verschlimmert oder erneut verletzt wird.
„Am Ende bleiben Patienten monatelang mit offenen Wunden, die eitern und infiziert sind“, sagte Roslyn Rivkah Isseroff, MD, Professorin für Dermatologie an der University of California Davis und Leiterin der Wundheilungsklinik des VA Northern California Health Care System. „Die Patienten sind über den Geruch verärgert. Diese offenen Geschwüre setzen den Patienten dem Risiko einer systemischen Infektion wie einer Sepsis aus.“ Es kann Auswirkungen auf die psychische Gesundheit haben und die Fähigkeit des Patienten zur Wundversorgung beeinträchtigen.
„Wir sehen sie einmal in der Woche und schicken sie nach Hause und sagen ihnen, dass sie sich jeden Tag umziehen sollen, und sie sagen: ‚Ich kann mich kaum bewegen.‘ „Ich kann das nicht tun“, sagte Isseroff.
Um auf eine Infektion zu prüfen, müssen die Verbände entfernt und die Wunde kultiviert werden. Das kann schmerzhaft sein und die Ergebnisse brauchen Zeit.
In einer Woche kann einer Wunde viel passieren.
„Manchmal kommen sie zurück und es ist eine Katastrophe und sie müssen in die Notaufnahme eingeliefert werden oder sogar amputiert werden“, sagte Gurtner.
Menschen, deren Wohnverhältnisse unsicher sind oder die keinen Zugang zu medizinischer Versorgung haben, sind noch anfälliger für Komplikationen.
„Wenn Sie sagen könnten: ‚Es passiert etwas Schlimmes‘, könnten Sie viel tun, um diese Kaskade und Abwärtsspirale zu verhindern.“
Bandagen 2.0
Im Jahr 2019 startete die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) – die Forschungsabteilung des Verteidigungsministeriums – das Programm „Bioelectronics for Tissue Regeneration“ (BETR), um Wissenschaftler zu ermutigen, einen „geschlossenen Kreislauf“ zu entwickeln. Bandage ist in der Lage, die Heilung sowohl zu überwachen als auch zu beschleunigen.
Seitdem haben Dutzende Millionen an Fördermitteln eine Flut von Innovationen ausgelöst.
„Es ist eine Art Rennen bis zum Ziel“, sagte Marco Rolandi, PhD, außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of California Santa Cruz und leitender Forscher eines Teams aus Ingenieuren, Ärzten und Informatikern der UC Santa Cruz, UC Davis und Tufts. „Ich war erstaunt und beeindruckt von all der Arbeit, die dabei herauskam.“
Das Ziel seines Teams ist es, die Heilungszeit zu halbieren, indem es (a) Echtzeitüberwachung der Wundheilung nutzt – anhand von Indikatoren wie Temperatur, pH-Wert, Sauerstoff, Feuchtigkeit, Glukose, elektrische Aktivität und bestimmte Proteine, und (b ) angemessene Stimulation.
„Jede Wunde ist anders, daher gibt es keine einheitliche Lösung“, sagte Isseroff, der klinische Leiter des Teams. „Die Idee ist, dass es in der Lage sein wird, verschiedene, für die Wunde spezifische Parameter zu erfassen, mithilfe der KI herauszufinden, in welchem Stadium sie sich befindet, und den richtigen Reiz zu geben, um sie aus diesem festgefahrenen Stadium herauszuwerfen.“
Das Team hat einen Proof-of-Concept-Prototyp entwickelt: einen Verband, in den eine winzige Kamera eingebettet ist, die Bilder aufnimmt und diese an einen Computeralgorithmus überträgt, um den Fortschritt der Wunde zu beurteilen. Miniaturisierte batteriebetriebene Aktuatoren oder Motoren geben Medikamente automatisch ab.
Phase-I-Studien an Nagetieren verliefen gut, sagte Rolandi. Das Team testet die Bandage nun an Schweinen.
Weltweit sind weitere vielversprechende Entwicklungen im Gange.
In einem im Mai veröffentlichten wissenschaftlichen Artikel beschrieben Forscher der Universität Glasgow, Schottland, einen neuen „kostengünstigen, umweltfreundlichen“ Verband mit eingebetteten Leuchtdioden (LEDs), die ultraviolettes Licht verwenden, um Bakterien abzutöten – Antibiotika sind nicht erforderlich . Der Stoff ist mit einer schlanken, flexiblen Spule vernäht, die die Lichter ohne Batterie mittels drahtloser Energieübertragung mit Strom versorgt. In Laborstudien wurden gramnegative Bakterien (einige der schlimmsten Bakterien) innerhalb von 6 Stunden ausgerottet.
Auch im Mai im Journal Bioaktive Materialien, ein Team aus Penn State, entwickelte einen Verband mit Mikronadeln zur Medikamenteninjektion, der Blutungen unmittelbar nach einer Verletzung stoppen kann. In Labor- und Tierversuchen reduzierte es die Gerinnungszeit von 11,5 Minuten auf 1,3 Minuten und die Blutung 90 %.
„Bei blutenden Verletzungen ist es oft der Blutverlust – und nicht die Verletzung selbst – der zum Tod führt“, sagte Studienautor Amir Sheikhi, PhD, Assistenzprofessor für Chemie- und Biomedizintechnik an der Penn State. „Diese 10 Minuten könnten den Unterschied zwischen Leben und Tod ausmachen.“
Ein weiterer intelligenter Verband, der an der Northwestern University entwickelt wurde, löst sich – inklusive Elektroden und allem – harmlos im Körper auf, wenn er nicht mehr benötigt wird, und beseitigt so das, was schmerzhaft sein kann Entfernung.
Guillermo Ameer, DSc, ein Studienautor, der über die Technologie in berichtet Wissenschaftliche Fortschrittehofft, dass es kostengünstig hergestellt und in Entwicklungsländern eingesetzt werden kann.
„Wir möchten etwas schaffen, das Sie in Ihrem Zuhause verwenden können, sogar in einem sehr abgelegenen Dorf“, sagte Ameer, Professor für Biomedizintechnik an der Northwestern University.
Zeitplan für den klinischen Einsatz
Laut Wissenschaftlern stehen die intelligenten Bandagen noch am Anfang. Die meisten Studien wurden an Nagetieren durchgeführt und es bedarf weiterer Arbeit, um Bandagen im menschlichen Maßstab zu entwickeln, die Kosten zu senken, die Langzeitdatenspeicherung zu lösen und sicherzustellen, dass das Material gut haftet, ohne die Haut zu reizen.
Gurtner ist jedoch zuversichtlich, dass einige Iterationen innerhalb weniger Jahre in der klinischen Praxis eingesetzt werden könnten.
Im Mai veröffentlichten er und Kollegen von der Stanford University einen Artikel in Naturbiotechnologie Beschreibung ihrer intelligenten Bandage. Es beinhaltet eine Mikrocontroller-Einheit, eine Funkantenne, Biosensoren und ein elektrischer Stimulator, alles auf einem gummiartigen, hautähnlichen Polymer (oder Hydrogel) befestigt, etwa so dick wie eine einzelne Schicht Latexfarbe.
Der Verband erkennt Veränderungen der Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit, während die Wunde heilt. Und es gibt elektrische Stimulation, um die Heilung zu beschleunigen.
Mit dem Verband behandelte Tiere heilten 25 % schneller und hatten 50 % weniger Narben.
Elektrische Ströme würden in der klinischen Praxis bereits zur Wundheilung eingesetzt, sagte Gurtner. Da der Anreiz bereits genehmigt ist und die Kosten für die Herstellung des Verbandes niedrig sein könnten (nur 10 bis 50 US-Dollar), glaubt er, dass die Genehmigungsverfahren relativ schnell durchlaufen werden könnten.
„Ist dies die ultimative Verkörperung aller Schnickschnack, die in einem intelligenten Verband möglich sind? Nein, noch nicht“, sagte er. „Aber wir glauben, dass es den Menschen helfen wird. Und im Moment ist das gut genug.“