Nuovi cerotti potenziati dall’IA pronti a trasformare il trattamento delle ferite

Nuovi cerotti con IA rivoluzioneranno il trattamento delle ferite

6 settembre 2023 — Ti sei tagliato. Hai messo un cerotto. In una settimana circa, la tua ferita guarisce.

La maggior parte delle persone dà per scontato questa routine. Ma per i più di 8,2 milioni di americani che hanno ferite croniche, non è così semplice.

Lesioni traumatiche, complicanze post-chirurgiche, età avanzata e malattie croniche come il diabete e le malattie vascolari possono interrompere il delicato processo di guarigione, portando a ferite che durano mesi o anni.

Lasciate senza trattamento, circa il 30% porta all’amputazione. E recenti studi mostrano che il rischio di morire a causa di complicanze di ferite croniche entro 5 anni è paragonabile a quello dei tumori più comuni.

Eppure fino a poco tempo fa, la tecnologia medica non era stata all’altezza di quella che gli esperti definiscono una minaccia in crescita per la salute pubblica.

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“La cura delle ferite – nonostante tutti i miliardi di prodotti venduti – è ancora a un livello quasi medievale”, ha detto Geoffrey Gurtner, MD, presidente del dipartimento di chirurgia e professore di ingegneria biomedica presso la University of Arizona College of Medicine. “Stiamo ancora mettendo impacchi e unguenti … e per quanto riguarda la diagnosi di infezione, è davvero un’arte. Credo che possiamo fare di meglio”.

La Fasciatura Vecchio Stile incontra l’IA

Gurtner è tra le decine di clinici e ricercatori che stanno ripensando alla semplice fasciatura – combinando la scienza dei materiali all’avanguardia con l’intelligenza artificiale, o IA, e i dati dei pazienti per sviluppare “fasciature intelligenti” che fanno molto di più che proteggere una ferita.

In futuro, queste fasciature sottilissime incorporate con elettronica miniaturizzata potrebbero monitorare il processo di guarigione in tempo reale, avvisando il paziente – o un medico – quando le cose vanno storte. Premendo un pulsante sullo smartphone, quella fasciatura potrebbe erogare medicinali per combattere un’infezione o un impulso elettrico per stimolare la guarigione.

Alcuni modelli “a ciclo chiuso” non hanno bisogno di essere attivati, ma monitorano la ferita e le forniscono automaticamente ciò di cui ha bisogno.

Altri in fase di sviluppo potrebbero fermare un’emorragia da una ferita da campo di battaglia o avviare la guarigione in una ferita da esplosione, evitando disabilità a lungo termine.

Le stesse tecnologie potrebbero – se il prezzo è accessibile – accelerare la guarigione e ridurre le cicatrici in tagli e graffi minori, ha detto Gurtner.

E a differenza di molte innovazioni mediche all’avanguardia, queste fasciature di nuova generazione potrebbero essere realizzate a prezzi relativamente bassi e beneficiare alcune delle popolazioni più vulnerabili, compresi gli anziani, le persone a basso reddito e quelle dei paesi in via di sviluppo.

Potrebbero anche risparmiare denaro al sistema sanitario, poiché negli Stati Uniti si spendono oltre 28 miliardi di dollari all’anno per il trattamento delle ferite croniche.

“Questa è una condizione che molti pazienti trovano vergognosa e imbarazzante, quindi non c’è stata molta difesa”, ha detto Gurtner, ex presidente del consiglio della Wound Healing Society. “È un problema relativamente trascurato che affligge una popolazione bisognosa e ha un costo enorme. È una tempesta perfetta”.

Come Guariscono le Ferite, o Non Guariscono

La guarigione delle ferite è uno dei processi più complessi del corpo umano.

Innanzitutto, le piastrine accorrono verso la lesione, stimolando la coagulazione del sangue. Poi le cellule immunitarie emettono composti chiamati citochine infiammatorie, che aiutano a combattere i patogeni e a prevenire l’infezione. Altri composti, tra cui l’ossido nitrico, stimolano la crescita di nuovi vasi sanguigni e di collagene per ricostruire la pelle e il tessuto connettivo. Mentre l’infiammazione rallenta e si ferma, la carne continua a riformarsi.

Ma alcune condizioni possono interrompere il processo, spesso nella fase infiammatoria.

Nelle persone con diabete, i livelli elevati di glucosio e la scarsa circolazione tendono a sabotare il processo. E le persone con danni ai nervi causati da lesioni del midollo spinale, diabete o altre malattie potrebbero non riuscire a percepire quando una ferita peggiora o viene reinfortunata.

“Ci ritroviamo con pazienti che passano mesi con ferite aperte che marciscono e si infettano”, ha detto Roslyn Rivkah Isseroff, MD, professore di dermatologia presso la University of California Davis e responsabile della clinica di guarigione delle ferite del Sistema Sanitario del Nord della California. “I pazienti sono preoccupati per l’odore. Queste ulcere aperte mettono il paziente a rischio di infezione sistemica, come la sepsi”. Può influire sulla salute mentale, svuotando la capacità del paziente di prendersi cura della propria ferita.

“Li vediamo una volta alla settimana e li mandiamo a casa dicendo loro di cambiare il bendaggio ogni giorno, e loro dicono: ‘A malapena riesco a muovermi. Non posso farlo'”, ha detto Isseroff.

Controllare per l’infezione significa rimuovere le bende e coltivare la ferita. Ciò può essere doloroso e i risultati richiedono tempo.

Molte cose possono accadere a una ferita in una settimana.

A volte, tornano indietro ed è un disastro e devono essere ammessi al pronto soccorso o addirittura subire un’amputazione,” ha detto Gurtner.

Le persone che sono senza dimora o che non hanno accesso alle cure sanitarie sono ancora più vulnerabili alle complicazioni.

“Se avessi la possibilità di dire ‘sta succedendo qualcosa di brutto’, potresti fare molto per prevenire questa cascata e questa spirale discendente.”

Bende 2.0

Nel 2019, l’Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa (DARPA) – il braccio di ricerca del Dipartimento della Difesa – ha lanciato il programma Bioelectronics for Tissue Regeneration (BETR) per incoraggiare gli scienziati a sviluppare una benda “a ciclo chiuso” in grado di monitorare e accelerare la guarigione.

Milioni di finanziamenti hanno dato il via a una grande innovazione.

“È una sorta di corsa verso il traguardo,” ha detto Marco Rolandi, dottore di ricerca, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso l’Università della California Santa Cruz e ricercatore principale di un team che comprende ingegneri, medici e informatici dell’UC Santa Cruz, dell’UC Davis e di Tufts. “Sono rimasto stupito e impressionato da tutto il lavoro prodotto.”

Il loro obiettivo è ridurre il tempo di guarigione della metà utilizzando (a) il monitoraggio in tempo reale di come si sta riprendendo una ferita – utilizzando indicatori come temperatura, livello di pH, ossigeno, umidità, glucosio, attività elettrica e determinate proteine, e (b) la stimolazione appropriata.

“Ogni ferita è diversa, quindi non esiste una soluzione unica,” ha detto Isseroff, responsabile clinico del team. “L’idea è che sarà in grado di rilevare diversi parametri unici alla ferita, utilizzare l’intelligenza artificiale per capire in quale fase si trova e fornire lo stimolo giusto per farla uscire da quella fase di stallo.”

Il team ha sviluppato un prototipo di prova concettuale: una benda incorporata con una piccola telecamera che scatta foto e le trasmette a un algoritmo informatico per valutare i progressi della ferita. Attuatori miniaturizzati alimentati a batteria, o motori, somministrano automaticamente il farmaco.

Le prove di fase I sui roditori sono andate bene, ha detto Rolandi. Il team sta ora testando la benda sui suini.

In tutto il mondo, sono in corso altri sviluppi promettenti.

In un articolo scientifico pubblicato a maggio, i ricercatori dell’Università di Glasgow, in Scozia, hanno descritto una nuova benda “a basso costo ed ecologica” incorporata con diodi emettitori di luce (LED) che utilizzano la luce ultravioletta per uccidere i batteri – senza bisogno di antibiotici. Il tessuto è cucito con una sottile bobina flessibile che alimenta le luci senza una batteria utilizzando il trasferimento di energia wireless. Negli studi di laboratorio, ha eliminato i batteri gram-negativi (alcuni dei batteri più pericolosi) in 6 ore.

Anche a maggio, nella rivista Bioactive Materials, un team della Penn State ha descritto una benda con microneedle che inietta il farmaco e può fermare immediatamente il sanguinamento dopo un’infortunio. Negli studi di laboratorio e sugli animali, ha ridotto il tempo di coagulazione da 11,5 a 1,3 minuti e il sanguinamento del 90%.

“Con le lesioni sanguinanti, spesso è la perdita di sangue – non la lesione stessa – a causare la morte,” ha detto l’autore dello studio Amir Sheikhi, dottore di ricerca, professore associato di ingegneria chimica e biomedica presso la Penn State. “Quei 10 minuti potrebbero fare la differenza tra la vita e la morte.”

Un’altra benda intelligente, sviluppata presso la Northwestern University, si dissolve senza arrecare danni – elettrodi compresi – nel corpo dopo che non è più necessaria, eliminando la dolorosa rimozione.

Guillermo Ameer, DSc, autore dello studio che riporta sulla tecnologia in Science Advances, spera che possa essere prodotta a basso costo e utilizzata nei paesi in via di sviluppo.

“Vorremmo creare qualcosa che potresti usare a casa tua, anche in un villaggio molto remoto,” ha detto Ameer, professore di ingegneria biomedica presso la Northwestern.

Cronologia per l’uso clinico

Sono ancora i primi giorni per le bende intelligenti, dicono gli scienziati. La maggior parte degli studi è stata condotta su roditori e sono necessari ulteriori lavori per sviluppare bende su scala umana, ridurre i costi, risolvere il problema della conservazione dei dati a lungo termine e garantire che il materiale aderisca bene senza irritare la pelle.

Ma Gurtner è ottimista sul fatto che una qualche versione potrebbe essere utilizzata nella pratica clinica entro pochi anni.

A maggio, lui e i suoi colleghi dell’Università di Stanford hanno pubblicato un articolo su Nature Biotechnology che descrive la loro benda intelligente. Include un’unità microcontroller, un’antenna radio, biosensori e uno stimolatore elettrico tutti fissati a un polimero gommoso simile alla pelle (o idrogel) spesso quanto uno strato di vernice di lattice.

La benda percepisce i cambiamenti di temperatura e la conducibilità elettrica mentre la ferita guarisce. Inoltre, fornisce una stimolazione elettrica per accelerare la guarigione.

Gli animali trattati con la benda sono guariti più velocemente del 25% e con una cicatrice ridotta del 50%.

Le correnti elettriche sono già utilizzate nella pratica clinica per la guarigione delle ferite, ha affermato Gurtner. Poiché lo stimolo è già approvato e il costo per produrre la benda potrebbe essere basso (a partire da $10 a $50), crede che possa essere approvata relativamente velocemente.

“È questa la massima incarnazione di tutte le funzionalità possibili in una benda intelligente? No. Non ancora”, ha detto. “Ma pensiamo che aiuterà le persone. E al momento, è sufficiente.”