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8 Mar, 2024

Des stickers à ultrasons qui changent de forme pour détecter les complications post-chirurgicales

Des stickers à ultrasons qui changent de forme pour détecter les complications post-chirurgicales

Trois variantes du sticker à ultrasons souple et flexible sur un doigt.

Un dispositif unique en son genre « marque » un organe pour surveiller les fuites de liquide anormales et potentiellement mortelles.

Des chercheurs dirigés par la Northwestern University et la Washington University School of Medicine de St. Louis ont mis au point un nouveau sticker, le premier du genre, qui permet aux cliniciens de surveiller la santé des organes et des tissus profonds des patients à l’aide d’un simple appareil à ultrasons.

Lorsqu’il est fixé à un organe, l’autocollant souple et minuscule change de forme en fonction de l’évolution du pH de l’organisme, ce qui peut constituer un signe d’alerte précoce en cas de complications postopératoires telles que des fuites anastomotiques. Les cliniciens peuvent alors visualiser ces changements de forme en temps réel grâce à l’imagerie par ultrasons.

Actuellement, aucune méthode existante ne permet de détecter de manière fiable et non invasive les fuites anastomotiques, une affection potentiellement mortelle qui survient lorsque des liquides gastro-intestinaux s’échappent du système digestif. En révélant la fuite de ces fluides avec une sensibilité et une spécificité élevées, l’autocollant non invasif peut permettre des interventions plus précoces qu’auparavant. Ensuite, lorsque le patient est complètement rétabli, l’autocollant biocompatible et biorésorbable se dissout simplement, évitant ainsi une extraction chirurgicale.

L’étude sera publiée le 8 mars dans la revue Science. L’article décrit les évaluations effectuées sur des modèles animaux de petite et de grande taille pour valider trois types différents d’autocollants fabriqués à partir de matériaux hydrogel adaptés à la détection des fuites anastomotiques de l’estomac, de l’intestin grêle et du pancréas.

« Ces fuites peuvent provenir de perforations subtiles dans les tissus, souvent sous la forme d’espaces imperceptibles entre les deux côtés d’une incision chirurgicale », explique John A. Rogers, de Northwestern, qui a dirigé le développement de l’appareil avec son collègue postdoctoral Jiaqi Liu.

« Ces types de défauts ne peuvent pas être vus directement avec les outils d’imagerie par ultrasons. Ils échappent également à la détection par les tomodensitogrammes et les IRM les plus sophistiqués. Nous avons mis au point une approche technique et un ensemble de matériaux avancés pour répondre à ce besoin non satisfait en matière de surveillance des patients. Cette technologie a le potentiel d’éliminer les risques, de réduire les coûts et d’élargir l’accès à des évaluations rapides et non invasives afin d’améliorer les résultats pour les patients. »

« À l’heure actuelle, il n’existe aucun moyen efficace de détecter ce type de fuites », a déclaré le Dr Chet Hammill, chirurgien gastro-intestinal, qui a dirigé l’évaluation clinique et les études sur modèle animal à l’université de Washington avec son collaborateur, le Dr Matthew MacEwan, professeur adjoint de neurochirurgie.

« La majorité des opérations dans l’abdomen – lorsqu’il faut enlever quelque chose et le recoudre – comporte un risque de fuite. Nous ne pouvons pas prévenir totalement ces complications, mais nous pouvons peut-être les détecter plus tôt afin de minimiser les dommages. Même si nous pouvions détecter une fuite 24 ou 48 heures plus tôt, nous pourrions repérer les complications avant que le patient ne devienne vraiment malade. Cette nouvelle technologie a le potentiel de changer complètement la façon dont nous surveillons les patients après l’opération ».

L’importance de la précocité

Toutes les chirurgies gastro-intestinales comportent un risque de fuite anastomotique. Si la fuite n’est pas détectée suffisamment tôt, le patient a 30 % de chances de passer jusqu’à six mois à l’hôpital et 20 % de chances de mourir, selon le Dr Hammill. Pour les patients qui se remettent d’une opération du pancréas, les risques sont encore plus élevés. Selon le Dr Hammill, 40 à 60 % des patients souffrent de complications après une opération du pancréas.

Le plus grand problème est qu’il n’existe aucun moyen de prédire qui développera de telles complications. De plus, lorsque le patient présente des symptômes, il est déjà très malade.

« Les patients peuvent présenter de vagues symptômes associés à la fuite », explique le Dr Hammill. « Mais comme ils viennent de subir une intervention chirurgicale lourde, il est difficile de savoir si les symptômes sont anormaux. Si nous parvenons à la détecter rapidement, nous pourrons drainer le liquide. Si nous le détectons plus tard, le patient peut souffrir d’une septicémie et se retrouver aux soins intensifs. Les patients atteints d’un cancer du pancréas n’ont parfois que six mois à vivre. Aujourd’hui, ils passent la moitié de ce temps à l’hôpital ».

À la recherche de meilleurs résultats pour ses patients, M. Hammill a contacté M. Rogers, dont le laboratoire est spécialisé dans le développement de solutions d’ingénierie pour relever les défis en matière de santé. L’équipe de Rogers avait déjà mis au point une série de dispositifs électroniques biorésorbables destinés à servir d’implants temporaires, notamment des stimulateurs cardiaques dissolvants, des stimulateurs nerveux et des analgésiques implantables.

Les systèmes biorésorbables ont suscité l’intérêt de M. Hammill. Le risque le plus élevé de développer une fuite anastomotique survient trois jours ou deux semaines après l’opération.

« Nous aimons surveiller les patients pour les complications pendant environ 30 jours », a déclaré Hammill. « Disposer d’un dispositif qui dure un mois et disparaît ensuite semblait idéal ».

Améliorer les ultrasons

Au lieu de développer de nouveaux systèmes d’imagerie, M. Rogers a émis l’hypothèse que son équipe pourrait être en mesure d’améliorer les méthodes d’imagerie actuelles, ce qui leur permettrait de « voir » des caractéristiques qui, autrement, seraient invisibles. La technologie des ultrasons présente déjà de nombreux avantages : elle est peu coûteuse, facilement disponible, ne nécessite pas d’équipement encombrant et n’expose pas les patients à des radiations ou à d’autres risques.

Mais il y a bien sûr un inconvénient majeur. La technologie des ultrasons – qui utilise des ondes sonores pour déterminer la position, la forme et la structure des organes – ne permet pas de différencier de manière fiable les divers fluides corporels. Le sang et le liquide gastrique, par exemple, ont la même apparence.

« Les propriétés acoustiques des fluides qui fuient sont très similaires à celles des fluides biologiques naturels et des tissus environnants », a déclaré M. Rogers. « Cependant, le besoin clinique exige une spécificité chimique qui dépasse la portée des mécanismes fondamentaux qui créent un contraste dans les images ultrasonores.

En fin de compte, l’équipe de M. Rogers a conçu une approche permettant de surmonter cette limitation en utilisant de minuscules capteurs conçus pour être lus par l’imagerie ultrasonore. Plus précisément, ils ont créé un petit autocollant adhésif pour les tissus à partir d’un hydrogel souple et chimiquement réactif. Ils ont ensuite intégré de minuscules disques métalliques, fins comme du papier, dans les fines couches de cet hydrogel. Lorsque l’autocollant rencontre une fuite de liquide, il gonfle.

Rendre l’invisible visible

Lorsque l’hydrogel gonfle en réponse à un changement de pH, les disques métalliques s’écartent les uns des autres. L’échographie permet alors de visualiser ces changements subtils de positionnement.

« Les propriétés acoustiques des disques métalliques étant très différentes de celles des tissus environnants, elles offrent un contraste très fort dans les images échographiques », explique M. Rogers. De cette manière, nous pouvons essentiellement « marquer » un organe pour le surveiller.

Étant donné que le besoin de surveillance ne se fait sentir que pendant la convalescence post-chirurgicale, l’équipe de Rogers a conçu ces autocollants avec des matériaux biorésorbables. Ils disparaissent naturellement et sans danger dans le corps une fois qu’ils ne sont plus nécessaires.

Le collaborateur informatique Yonggang Huang, titulaire de la chaire Jan et Marcia Achenbach en génie mécanique et professeur de génie civil et environnemental à McCormick, a utilisé des techniques de simulation acoustique et mécanique pour aider à optimiser les choix de matériaux et la disposition des dispositifs afin de garantir une grande visibilité sur les images ultrasonores, même pour les autocollants situés dans des endroits profonds du corps.

« Le scanner et l’IRM ne prennent qu’une image », a ajouté M. Hammill. « Le liquide peut apparaître sur une image de tomodensitométrie, mais il y a toujours des collections de liquide après une intervention chirurgicale. Nous ne savons pas s’il s’agit d’une fuite ou d’un liquide abdominal normal. Les informations fournies par le nouveau patch sont beaucoup plus précieuses. Si nous pouvons voir que le pH est modifié, nous savons que quelque chose ne va pas ».

L’équipe de Rogers a fabriqué des autocollants de différentes tailles. Le plus grand mesure 12 millimètres de diamètre, tandis que le plus petit n’en fait que 4. Étant donné que les disques métalliques mesurent chacun 1 millimètre ou moins, M. Rogers s’est rendu compte qu’il pourrait être difficile pour les radiologues d’évaluer les images manuellement. Pour surmonter cette difficulté, son équipe a également mis au point un logiciel capable d’analyser automatiquement les images afin de détecter avec une grande précision tout mouvement relatif des disques.

Améliorer la qualité de vie

Pour évaluer l’efficacité du nouvel autocollant, l’équipe de M. Hammill l’a testé sur des modèles animaux de petite et de grande taille. Dans ces études, l’imagerie par ultrasons a systématiquement détecté des changements dans l’autocollant changeant de forme, même lorsqu’il se trouvait à 10 centimètres de profondeur à l’intérieur des tissus. Lorsqu’il est exposé à des liquides dont le pH est anormalement élevé ou bas, l’autocollant change de forme en l’espace de quelques minutes.

Rogers et Hammill imaginent que le dispositif pourrait être implanté à la fin d’une procédure chirurgicale. Par ailleurs, en raison de sa petite taille et de sa souplesse, le dispositif peut également être inséré (enroulé) dans une seringue, que les cliniciens peuvent utiliser pour injecter l’étiquette dans l’organisme.

« Ces étiquettes sont si petites, fines et souples que les chirurgiens peuvent facilement en placer plusieurs à différents endroits », explique M. Rogers. « Par exemple, si une incision s’étend sur quelques centimètres, un ensemble de ces étiquettes peut être placé sur toute la longueur du site afin de développer une carte du pH permettant de localiser précisément la position de la fuite.

« Il s’agit évidemment d’un premier prototype, mais je peux imaginer le produit final où, à la fin de l’opération, il suffirait de placer ces petits patchs pour la surveillance », a déclaré M. Hammill. « Il fait son travail et disparaît ensuite complètement. Cela pourrait avoir un impact considérable sur les patients, leur temps de rétablissement et, en fin de compte, leur qualité de vie.

Ensuite, Rogers et son équipe étudient des étiquettes similaires qui pourraient détecter les hémorragies internes ou les changements de température. « La détection des changements de pH est un bon point de départ », a déclaré M. Rogers. « Mais cette plateforme peut s’étendre à d’autres types d’applications grâce à l’utilisation d’hydrogels qui réagissent à d’autres changements dans la chimie locale, ou à la température ou à d’autres propriétés pertinentes sur le plan clinique.

L’étude, intitulée « Bioresorbable shape-adaptive structures for ultrasonic monitoring of deep-tissue homeostasis », a été soutenue par la National Science Foundation, le National Cancer Institute et le Querrey-Simpson Institute for Bioelectronics.

https://news.northwestern.edu/stories/2024/03/shape-shifting-ultrasound-stickers-detect-post-surgical-complications/

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9880

https://news.northwestern.edu/stories/2021/06/first-ever-transient-pacemaker-harmlessly-dissolves-in-body/