В рамках трансатлантического сотрудничества было создано интеллектуальное имплантируемое устройство, которое может вводить лекарство и одновременно определять, когда оно начинает отторгаться, а также использовать искусственный интеллект для изменения формы устройства с целью поддержания дозировки лекарства и одновременного преодоления образования рубцовой ткани.

Исследование опубликовано в журнале Science Robotics.

Технологии имплантируемых медицинских устройств обещают открыть возможности для передовых терапевтических вмешательств в здравоохранение, таких как высвобождение инсулина для лечения диабета, однако основной проблемой, сдерживающей развитие таких устройств, является реакция пациента на инородное тело.

Доктор Рейчел Битти (Rachel Beatty) из Университета Голуэя, один из ведущих авторов исследования, пояснила:

Разработанная технология с использованием мягкой робототехники расширяет возможности имплантируемых устройств, которые могут находиться в организме пациента в течение длительного времени, обеспечивая длительное терапевтическое воздействие. Представьте себе терапевтический имплантат, который также может чувствовать окружающую среду и реагировать на нее по мере необходимости с помощью искусственного интеллекта — такой подход может привести к революционным изменениям в имплантируемой доставке лекарств для лечения целого ряда хронических заболеваний.

Исследовательская группа Университета Голуэя и Массачусетского технологического института первоначально разработала гибкие устройства первого поколения, известные как мягкие роботизированные имплантаты, для улучшения доставки лекарств и уменьшения фиброза. Несмотря на успех, команда считает эту технологию универсальной, поскольку она не учитывала реакцию отдельных пациентов, а также прогрессирующий характер фиброза, при котором вокруг устройства образуется рубцовая ткань, инкапсулирующая его, препятствующая и блокирующая его назначение, что в конечном итоге приводит к его отказу.

Последнее исследование, опубликованное сегодня в журнале Science Robotics, демонстрирует, как с помощью искусственного интеллекта удалось значительно усовершенствовать технологию, сделав ее чутко реагирующей на условия имплантата и способной стать более долговечной, защищаясь от естественного стремления организма отторгнуть инородное тело.

Доктор Битти добавляет:

Я хотела адаптировать доставку лекарств к конкретным людям, но для этого необходимо было создать метод определения реакции организма на инородное тело.

Исследовательская группа применила новый метод уменьшения образования рубцовой ткани, известный как механотерапия, когда мягкие роботизированные имплантаты совершают регулярные движения в организме, например, надуваются и сдуваются. Приуроченные к определенному времени, повторяющиеся или разнообразные движения помогают предотвратить образование рубцовой ткани.

Ключевым элементом передовой технологии в имплантируемом устройстве является проводящая пористая мембрана, которая чувствует, когда поры блокируются рубцовой тканью. Она обнаруживает блокировку, поскольку клетки и материалы, вырабатываемые клетками, блокируют электрические сигналы, проходящие через мембрану.

Исследователи измерили электрический импеданс и образование рубцовой ткани на мембране, обнаружив корреляцию. Также был разработан и внедрен алгоритм машинного обучения для прогнозирования необходимого количества и силы срабатываний для достижения стабильного дозирования лекарственных препаратов независимо от степени фиброза. С помощью компьютерного моделирования исследователи также изучили возможности устройства по высвобождению лекарственных средств с течением времени при наличии окружающей фиброзной капсулы различной толщины.

Исследование показало, что изменение силы и количества движений и изменений формы устройства позволяет ему высвобождать большее количество лекарства, что помогает обойти накопление рубцовой ткани.

Профессор Эллен Рош, профессор машиностроения Массачусетского технологического института, сказала:

Если мы сможем почувствовать, как иммунная система человека реагирует на имплантированное терапевтическое устройство, и соответствующим образом изменить режим дозирования, это может иметь большой потенциал в персонализированной, точной доставке лекарств, уменьшая внецелевые эффекты и обеспечивая доставку нужного количества лекарства в нужное время. Представленная здесь работа является шагом к достижению этой цели.

Профессор Гэрри Даффи, профессор анатомии и регенеративной медицины Университета Голуэя, старший автор исследования, добавил:

Прибор выработал оптимальный режим, позволяющий самостоятельно выделять постоянную дозу облучения даже при моделировании значительного фиброза. Мы показали наихудший сценарий, когда вокруг устройства образовывалась очень толстая и плотная рубцовая ткань, и устройство справилось с этой проблемой, изменив способ нагнетания лекарств. Мы могли тонко управлять высвобождением лекарства в вычислительной модели и на стенде с помощью мягкой робототехники, независимо от наличия значительного фиброза.

Исследовательская группа считает, что их прорыв в области медицинских устройств может проложить путь к созданию полностью независимых имплантатов с замкнутым циклом, которые не только уменьшают фиброзную инкапсуляцию, но и чувствуют ее со временем, а также интеллектуально регулируют активность высвобождения лекарств в ответ на нее.

Профессор Даффи заключает:

Это новая область исследований, которая может иметь последствия и в других местах и не ограничивается только лечением диабета. Наше открытие может обеспечить постоянное и оперативное дозирование в течение длительного времени без участия врача, что повысит эффективность и снизит необходимость замены устройства из-за фиброза.