Новые лечебные повязки с искусственным интеллектом готовы изменить подход к лечению ран

Новые лечебные повязки с ИИ изменят подход к лечению ран.

6 сентября 2023 г. — Вы порезались. Вы наклеили бандаж. Через неделю или около того, ваша рана заживает.

Большинство людей считают это рутиной. Но для более чем 8,2 миллионов американцев, страдающих хроническими ранами, это не так просто.

Травматические повреждения, осложнения после операций, преклонный возраст и хронические заболевания, такие как диабет и сосудистые заболевания, могут нарушить деликатный процесс заживления, приводя к ранам, которые длится месяцы или годы.

Если не лечить, около 30% таких ран приводят к ампутации. И недавние исследования показывают, что риск смерти от осложнений хронической раны в течение 5 лет сравним с риском смерти от большинства раковых заболеваний.

Однако до недавнего времени медицинская технология не соответствовала тому, что эксперты называют нарастающей угрозой для общественного здоровья.

“Уход за ранами — даже с учетом всех миллиардов проданных продуктов — все еще находится на средневековом уровне”, — говорит Геоффри Гуртнер, доктор медицины, председатель кафедры хирургии и профессор биомедицинской инженерии в Колледже медицины Университета Аризоны. — “Мы все еще накладываем примочки и мази … и когда дело доходит до диагностики инфекции, это действительно искусство. Я думаю, мы можем делать лучше”.

Старомодный бандаж встречает искусственный интеллект

Гуртнер — один из десятков врачей и исследователей, переосмысливающих скромный бандаж — сочетающий передовую науку о материалах с искусственным интеллектом и данными пациента для разработки “умных бандажей”, которые делают гораздо больше, чем просто защищают рану.

Когда-нибудь в ближайшем будущем, эти тонкие как бумага бандажи, встроенные с миниатюрной электроникой, смогут мониторить процесс заживления в режиме реального времени, предупреждая пациента — или врача — о возникновении проблем. Нажатием кнопки смартфона такой бандаж сможет доставлять лекарство для борьбы с инфекцией или электрический импульс для стимулирования заживления.

Некоторые модели “замкнутого цикла” не требуют подсказок, а вместо этого мониторят рану и автоматически предоставляют ей то, что нужно.

Другие в разработке могут остановить кровотечение боевой раны или запустить процесс заживления при взрывной ране, предотвращая длительную инвалидность.

Те же технологии могут — если цена будет доступной — ускорить заживление и уменьшить рубцы при незначительных порезах и царапинах, сказал Гуртнер.

И в отличие от многих передовых медицинских инноваций, эти бандажи следующего поколения могут быть сделаны относительно недорого и принести пользу одной из самых уязвимых групп населения, включая пожилых людей, людей с низкими доходами и тех, кто живет в развивающихся странах.

Они также могут сэкономить деньги здравоохранительной системе, так как США ежегодно тратят более 28 миллиардов долларов на лечение хронических ран.

“Это состояние, которое многие пациенты считают позорным и неприятным, поэтому здесь не было много защитников”, — сказал Гуртнер, уходящий президент совета директоров Общества по лечению ран. — “Это относительно незамеченная проблема, затрагивающая недооцененное население, которая имеет огромные затраты. Это идеальный шторм”.

Как заживают раны, или не заживают

Заживление раны — один из самых сложных процессов в организме человека.

Сначала тромбоциты быстро приходят к травме, вызывая свертывание крови. Затем иммунные клетки выделяют вещества, называемые воспалительными цитокинами, которые помогают бороться с патогенами и предотвращать инфекцию. Другие вещества, включая оксид азота, способствуют росту новых сосудов и коллагена для восстановления кожи и соединительной ткани. После замедления и прекращения воспаления, ткани продолжают формироваться.

Но некоторые состояния могут замедлить процесс, часто на стадии воспаления.

У людей с диабетом повышенный уровень глюкозы и плохое кровообращение, как правило, затрудняют процесс. И люди с повреждением нервов из-за травмы спинного мозга, диабета или других заболеваний могут не чувствовать, когда рана ухудшается или повторно травмируется.

“У нас получается, что пациенты проходят месяцы с открытыми гнойными и инфицированными ранами”, — говорит Розлин Ривка Иссерофф, доктор медицины, профессор дерматологии в Университете Калифорнии в Дэвисе и руководитель клиники по лечению ран в Северной Калифорнии. — “Пациенты недовольны запахом. Эти открытые язвы ставят пациента в опасность системной инфекции, такой как сепсис”. Это может сказаться на психическом здоровье, истощая возможности пациента заботиться о своей ране.

“Мы видим их раз в неделю и отправляем их домой, говорим менять повязку каждый день, и они говорят: ‘Я едва двигаюсь. Я не могу этого делать'”, — говорит Иссерофф.

Проверка на наличие инфекции означает снятие повязок и выращивание раны. Это может быть болезненным, а результаты занимают время.

Многое может произойти с раной за неделю.

“Иногда они возвращаются, и это катастрофа, и им приходится быть доставленными в приемное отделение или даже подвергнуться ампутации”, – сказал Гертнер.

Люди, которые не имеют постоянного жилья или не имеют доступа к медицинской помощи, еще более уязвимы к осложнениям.

“Если бы у вас была возможность сказать ‘что-то плохое происходит’, вы могли бы сделать многое, чтобы предотвратить эту цепную реакцию и падение”, – добавил он.

Повязки 2.0

В 2019 году Агентство перспективных исследований оборонного ведомства США (DARPA) – научно-исследовательское подразделение Министерства обороны – запустило программу “Биоэлектроника для регенерации тканей” (BETR), чтобы побудить ученых разработать “замкнутую систему” повязки, способной одновременно контролировать и способствовать заживлению.

Десятки миллионов долларов финансирования стимулировали волну инноваций.

“Это своего рода гонка к финишу”, – сказал Марко Роланди, кандидат наук, доцент факультета электротехники и компьютерных наук в Университете Калифорнии в Санта-Круз и руководитель команды, включающей инженеров, врачей и информатиков из Университета Калифорнии в Санта-Круз, Университета Калифорнии в Дэвисе и Туфтса. “Я был поражен и впечатлен всей работой, которая была проделана”.

Цель его команды – сократить время заживления в два раза, используя (а) мониторинг в режиме реального времени того, как заживает рана – с помощью показателей, таких как температура, уровень pH, кислород, влажность, глюкоза, электрическая активность и определенные белки, и (б) соответствующую стимуляцию.

“Каждая рана разная, поэтому нет единого решения”, – сказал Иссерофф, клинический руководитель команды. “Идея заключается в том, чтобы оно могло обнаруживать различные параметры, характерные для раны, использовать искусственный интеллект, чтобы определить, в какой стадии она находится, и предоставить правильный стимул, чтобы вывести ее из этой застоявшейся стадии”.

Команда разработала прототип концепции: повязку, встроенную с камерой, которая делает снимки и передает их на компьютерный алгоритм для оценки прогресса заживления раны. Миниатюризированные активаторы, работающие от батареи, автоматически доставляют лекарство.

Испытания первой фазы на грызунах прошли успешно, сказал Роланди. Теперь команда тестирует повязку на свиньях.

По всему миру проводятся и другие многообещающие разработки.

В научной статье, опубликованной в мае, исследователи из Университета Глазго, Шотландия, описали новую “экологически чистую и недорогую” повязку, встроенную с светодиодами, использующими ультрафиолетовый свет для уничтожения бактерий – без использования антибиотиков. Ткань прошивается тонкой гибкой катушкой, которая питает света без батарей с использованием беспроводной передачи энергии. В лабораторных исследованиях она уничтожила грамотрицательные бактерии (одни из самых опасных микроорганизмов) за 6 часов.

Также в мае в журнале Bioactive Materials команда из Пенсильванского государственного университета описала повязку с микроиглами для внутривенного введения лекарств, которые могут остановить кровотечение немедленно после травмы. В лабораторных исследованиях она сократила время свертывания крови с 11,5 минут до 1,3 минуты и кровотечение на 90%.

“При кровотечении часто именно потеря крови, а не сама травма, приводит к смерти”, – сказал автор исследования Амир Шейхи, кандидат наук, ассистент профессора химической и биомедицинской инженерии в Пенсильванском государственном университете. “Эти 10 минут могут стать разницей между жизнью и смертью”.

Другая умная повязка, разработанная в Университете Нортвестерн, безопасно растворяется – включая электроды – в организме после того, как она больше не нужна, устраняя боль, связанную с ее удалением.

Гильермо Амир, доктор наук, автор статьи об этой технологии в Science Advances, надеется, что она может быть произведена дешево и использоваться в развивающихся странах.

“Мы хотели бы создать что-то, что можно использовать дома, даже в очень отдаленной деревне”, – сказал Амир, профессор биомедицинской инженерии в Нортвестернском университете.

Сроки внедрения в клиническую практику

Ученые говорят, что это только начало для умной повязки. Большинство исследований проводилось на грызунах, и необходима дальнейшая работа по разработке повязок, рассчитанных на человека, снижению стоимости, решению проблем долгосрочного хранения данных и обеспечению хорошего сцепления материала с кожей.

Однако Гертнер надеется, что какая-то версия умной повязки может быть использована в клинической практике через несколько лет.

В мае он и его коллеги из Стэнфордского университета опубликовали статью в журнале Nature Biotechnology, в которой описали свою умную повязку. Она включает микроконтроллер, радиоантенну, биосенсоры и электрический стимулятор, все это прикреплено к резиновому полимеру, похожему на кожу (или гидрогелю) толщиной, примерно, один слой латексной краски.

Повязка реагирует на изменения температуры и электропроводности в процессе заживления раны. Кроме того, она обеспечивает электрическую стимуляцию для ускорения заживления.

Животные, лечение которых проводилось с использованием этой повязки, заживали на 25% быстрее и оставляли на 50% меньше рубцов.

Электрические токи уже используются в клинической практике для заживления ран, – говорит Гуртнер. Поскольку стимуляция уже одобрена, а стоимость создания повязки может быть невысокой (от 10 до 50 долларов), он считает, что процесс ее утверждения может быть относительно быстрым.

“Это конечно не все возможности умной повязки, – добавляет он. – Но мы считаем, что она поможет людям. И на данный момент это достаточно хорошо”.