Беспроводные электроды на треть ускорили заживление хронических ран и рассосались в них

Американские, китайские и корейские исследователи разработали и испытали на мышиной модели диабетической язвы первый биорезорбируемый беспроводной электрод для мониторинга состояния и электротерапии хронических ран. Отчет о работе появился в журнале Science Advances.

Хроническими называют раны, которые не закрываются в течение 8–12 недель. Они представляют серьезную проблему для общественного здравоохранения, поскольку связаны с потерей функции и подвижности пораженной части тела; социальным стрессом, изоляцией, депрессией и тревожностью; длительной госпитализацией; повышением общих заболеваемости и смертности. Особенно распространены и трудноизлечимы такие повреждения кожи при сахарном диабете, при этом они возникают у 15–25 процентов людей с этим заболеванием. Для помощи пациентам с хроническими ранами в настоящее время используют системы замедленного высвобождения фармакологических и биологических препаратов, пересадку клеток и биоинженерной кожи, воздействие отрицательным давлением. Особый интерес представляет электротерапия, поскольку воспаление, сопровождающее повреждения кожи, нарушает эндогенные электрические сигналы, способствующие миграции кератиноцитов, фибробластов и иммунных клеток в процессе заживления. При этом существующие адгезивные электроды зачастую дорогостоящи, подключаются к громоздкому оборудованию, обладают ограниченной функциональностью и могут вторично травмировать ткани при отклеивании, что ограничивает применение электротерапии.

Чтобы избавиться от этих недостатков, сотрудники различных научных центров США, Китая и Южной Кореи под руководством Гильермо Амира (Guillermo Ameer) и Джона Роджерса (John Rogers) из Северо-Западного университета в Эванстоне разработали компактную беспроводную систему для электротерапии с гибкими растяжимыми биорезорбируемыми электродами. Помимо лечебного воздействия она позволяет следить за состоянием раны по ее электрическому сопротивлению.

Беспроводной модуль наклеивается на здоровую кожу вблизи хронической раны. Он состоит из индукционной спирали для питания с резонансной частотой 13,56 мегагерца от внешнего источника; системы на чипе, которая подключается к компьютеру или смартфону ближней бесконтактной связью (NFC) по протоколу ISO 15693; красного светодиода для индикации работы и микроконтроллера, создающего и измеряющего ток для стимуляции напряжением 1,1 вольта. К этому микроконтроллеру гибким соединителем крепятся внутренний и наружный металлические змеевидные электроды. Внутренний диаметром два миллиметра располагается над центром раны, наружный диаметром 10,5 миллиметра окружает ее. Он закрепляется на коже кольцевидной накладкой. После окончания курса электротерапии ножку внутреннего электрода перерезают и оставляют его рассасываться в ране, накладку с внешним электродом удаляют.

В качестве материала для внутреннего электрода был выбран молибден. Этот металл хорошо проводит ток, механически прочен и инертен по отношению к живым тканям. После окончания использования он постепенно резорбируется с образованием нетоксичных молибдат-анионов (MoO₄²⁻), что было подтверждено дополнительными экспериментами.

В ходе испытаний на здоровых мышах разработка продемонстрировала стабильную работу, допускала растяжение кожи примерно на 15 процентов, не вызывала чрезмерного нагревания и нежелательных реакций на молибденовый электрод со стороны эпидермиса, жировой ткани и биологических жидкостей.

В эксперименте на мышах с сахарным диабетом, которым раны наносили хирургически через все слои кожи, электростимуляция в течение 30 минут в сутки (что соответствует клиническому применению) ускоряла заживление ран примерно на 30 процентов по сравнению с контрольной группой и наклеиванием электрода без включения прибора (p < 0,001). Заметных побочных эффектов при этом не возникало.

Гистологическое исследование показало, что на 18-й день толщина грануляционной ткани в контрольной группе, без лечения и с электротерапией достигла в среднем 195, 222 и 595 микрометров (p < 0,001). На 30-й день толщина эпителия составила соответственно 15, 16 и 48 микрометра (p < 0,001); формирование микрососудистого русла — 26, 29 и 112 сосудов на квадратный миллиметр (p < 0,05). Плотность и организация коллагеновых волокон практически не отличались во всех группах, то есть электротерапия не нарушала формирование соединительной ткани. При микроскопии с иммунофлуоресцентными маркерами в основной группе наблюдались признаки уменьшения воспалительного ответа: снижение уровня макрофагального антигена F4/80 и провоспалительного интерлейкина-6, повышение — противовоспалительного интерлейкина-10.

В ходе дополнительного теста на безопасность фрагмент электрода, имплантированный мыши целиком, рассосался практически полностью за 35 недель. При этом молибден не накапливался в ключевых органах и тканях (сердце, легких, печени, селезенке, почках, мышцах и головном мозге) и не вызывал в них гистологических изменений.

Результаты пилотных испытаний признаны положительными, и в настоящее время авторы работы планируют эксперименты на более крупных животных. При их успехе можно будет перейти к клиническим испытаниям.

В 2022 году свой вариант беспроводного атравматичного пластыря для электротерапии предложили сотрудники Стэнфордского университета. В нем управляющий модуль и электроды расположены на одной полимерной подложке, которая хорошо приклеивается к коже при комнатной температуре, но теряет липкость при нагревании до 40 градусов Цельсия. В том же году немецкие инженеры представили биоразлагаемые молибденовые электроды для временной электрокардиостимуляции.