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Ein säureempfindliches Hydrogel ermöglicht es, gefährliche Lecks zu erkennen, bevor sie Schäden verursachen.
Forscher haben ein chirurgisches Dichtungsmittel mit eingebauten Sensoren entwickelt, das Lecks nach Magen- oder Darmoperationen erkennt. Diese Undichtigkeiten sind eine der häufigsten Todesursachen nach bariatrischen Operationen und werden oft erst dann diagnostiziert, wenn der Schaden bereits eingetreten ist. Mit diesem neuartigen Dichtmittel könnten Lecks mithilfe gängiger bildgebender Verfahren wie Ultraschall und CT-Scan schneller diagnostiziert werden.
Bei einer Magenoperation wird eine chirurgische Verbindung zwischen zwei ansonsten separaten Teilen des Magens oder Darms hergestellt. Wenn jedoch die chirurgische Verbindung versagt, kann es zu einer Undichtigkeit kommen. Dies kann dazu führen, dass Darminhalt in den Körper gelangt.
„Derzeit ist es für medizinisches Fachpersonal äußerst schwierig, diese Art von Lecks frühzeitig zu erkennen. Sie werden meist anhand klinischer Symptome diagnostiziert, die als Folge einer voll entwickelten Undichtigkeit auftreten“, sagte Inge Hermann, Forscherin an der ETH Zürich in der Schweiz, deren Team an der Entwicklung eines neuen Lecksensors gearbeitet hat. „Das bedeutet, dass der Patient zu diesem Zeitpunkt bereits einem hohen Risiko ausgesetzt ist, eine lebensbedrohliche Sepsis zu entwickeln.“ Wenn Magensäfte in die Körperhöhle gelangen, werden alle Reparaturen riskanter und schwieriger.
„Unsere Technologie bietet einen potenziellen Weg zur Früherkennung, da sie Ärzte alarmieren kann, bevor Lecks klinisch symptomatisch werden“, sagt Hermann.
Zunächst entwickelten Hermann und Kollegen einen Sensor, der auf austretende Magenflüssigkeit reagierte. Sie konzentrierten sich auf zwei Carbonatsalze, Barium- und Lanthancarbonate, die sich in Gegenwart von sauren Magensäften zersetzen und Kohlendioxidgas freisetzen. Diese Gase werden in einem geschichteten Hydrogel eingeschlossen, das zum Abdichten einer Operationsstelle verwendet werden kann. Das gelöste Kohlendioxidgas verändert die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Dichtmittels, wodurch das Leck im Ultraschall als hellerer Fleck sichtbar wird. Gleichzeitig führen die aus dem Sensor diffundierenden positiven Ionen zu einem geringeren Kontrast und einem dunkleren Fleck im CT-Scan.
Nachdem die Forscher die besten Sensormaterialien identifiziert hatten, unterwarfen sie diese verschiedenen Leck- und Nicht-Leck-Szenarien im Kontext unterschiedlicher physiologischer Bedingungen, um ihre Empfindlichkeit, Spezifität und Sicherheit zu testen.
Nachdem diese Grundlagen geschaffen waren, testeten die Forscher das Sensordichtmittel in mehreren Umgebungen. In einem Test platzierte das Team das chirurgische Dichtungsmittel und den Sensor als chirurgisches Pflaster auf der äußersten Schicht eines Schweinemagens. Bei Einwirkung von Magenflüssigkeit reagierten die Sensoren und ein Leck wurde sowohl mittels Ultraschall als auch CT aufgezeichnet.
Um die Erkennung zu erleichtern, testeten die Forscher auch verschiedene Konfigurationen – kreisförmig oder linear – der Sensoren. Wenn man die Salze beispielsweise als zwei konzentrische Kreise anordnet, würden sie ohne Leck als geschlossener Kreis erscheinen. Aber in Gegenwart von Magensäure würde der äußere Kreis in Kohlendioxid zerfallen und bei der Bildgebung einen erkennbaren Ring hinterlassen.
Letztendlich testete das Team das chirurgische Versiegelungsmittel in einem Tiermodell. Das Versiegelungsmittel wurde sowohl auf Wunden als auch auf normale Stellen des Magengewebes aufgetragen. Zu mehreren Zeitpunkten nach der Operation nahmen die Forscher CT-Bilder auf. Beim Anbringen an einer undichten Verbindung änderte sich die Form des Sensors drei Stunden nach der Operation, und nach sechs Stunden war sowohl bei Ultraschall- als auch bei CT-Bildern ein deutlicherer Unterschied zu beobachten. Dagegen blieb das auf Normalgewebe angebrachte Versiegelungspflaster unverändert.
„Wir glauben, dass diese Technologie die Magen-Darm-Chirurgie erheblich sicherer machen könnte, indem sie neue Wege zur Früherkennung von Anastomoseninsuffizienzen eröffnet“, sagte Hermann. Die Kombination von Sensoren mit dem Dichtmittel ermöglicht eine schnellere Leckerkennung und -behandlung, wodurch das Risiko für Patienten erheblich verringert wird. Darüber hinaus sind die Sensoren selbst mit der CT mit ultraniedriger Strahlendosis leicht zu erkennen, was häufige Scans ermöglicht.
Zukünftig wollen die Forscher ihr Gerät in experimentellen Umgebungen testen, die die Erfahrungen von Patienten besser nachahmen.
Referenz: Benjamin Suter et al., Chirurgisches Dichtungsmittel mit integrierten formverändernden Dual-Modality-Ultraschall- und Computertomographie-Sensoren zur Erkennung von Magenlecks, Fortgeschrittene Wissenschaft (2023). DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202301207
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