Evaluation of a Wearable Photoplethysmography-Based Platform for Continuous Physiological Monitoring in Awake Swine Models

Eine Vergiftung durch Ricin, ein Toxin, das in Rizinusbohnen vorkommt, ist ein erschreckend schnelles Ereignis. Sobald es in den Körper gelangt, schaltet es die Fähigkeit der Zellen zur Proteinherstellung ab, was innerhalb von Stunden zum Organversagen führt. Der Schaden hängt stark davon ab, wie das Gift in den Körper gelangt. Wenn es eingeatmet wird, überflutet es die Lungen mit Flüssigkeit und macht das Atmen unmöglich. Wenn es in einen Muskel injiziert wird, löst es eine Kettenreaktion aus, die die Blutgefäße unkontrolliert erweitert, wodurch der Blutdruck sinkt und der Körper mit Sauerstoff unterversorgt wird. Da das Zeitfenster zur Rettung eines Opfers sehr eng ist, benötigen Ärzte und Forscher eine Möglichkeit, die allerersten Anzeichen von Problemen zu erkennen, bevor der Körper kollabiert. Traditionell erforderte dies das Einführen von Schläuchen in die Blutgefäße und das Betäuben von Tieren, was jedoch die Reaktion des Körpers verändert und es schwierig macht, das Gift in einem natürlichen Zustand zu untersuchen. Wissenschaftler suchen schon lange nach einem besseren Weg: einem Gerät, das ein lebendes, sich bewegendes Tier beobachten kann, ohne es zu berühren, und dabei die subtilen Veränderungen der Herz- und Lungenfunktion verfolgt, die den Beginn einer Katastrophe signalisieren.

In einer kürzlich durchgeführten Studie testeten Forscher des Israel Institute for Biological Research eine neue Art von tragbarem Monitor, um zu sehen, ob dieser die frühen Warnsignale bei Schweinen erfassen kann. Sie wählten Schweine aus, da ihr Herz und ihre Lunge der unseren sehr ähnlich arbeiten, was sie zu den besten Testobjekten für die Humanmedizin macht. Das Team verwendete einen am Brustkorb getragenen Sensor, der Licht in die Haut strahlt, um den Puls und den Blutfluss zu lesen – eine Methode, die als Photoplethysmographie bekannt ist. Dieses Gerät, das wie ein kleines Pflaster aussieht, wurde an zweiundzwanzig wachen Schweinen befestigt. Fünf Schweine dienten als gesunde Kontrollgruppe, während die anderen entweder über die Lunge oder durch eine Injektion in den Oberschenkelmuskel dem Ricin ausgesetzt wurden. Das Ziel war simpel: Könnte dieses nicht-invasive Pflaster den Moment erkennen, in dem das Gift zu wirken beginnt, und konnte es den Verfall bis zum Ende verfolgen?

Die Ergebnisse zeigten, dass das Gerät bemerkenswert gut darin war, die erste Welle des Kampfes des Körpers zu erfassen. In beiden Gruppen der vergifteten Schweine detektierte der Sensor etwa zur Mitte des Beobachtungszeitraums – bei etwa vierzig bis fünfundvierzig Prozent – eine deutliche Veränderung. Die Herzen der Tiere begannen schneller zu schlagen, und die Menge an Blut, die mit jedem Schlag gepumpt wurde, nahm zu. Dies war der verzweifelte Versuch des Körpers zu kompensieren, um den Sauerstofffluss trotz des Angriffs des Toxins aufrechtzuerhalten. Das Gerät bemerkte auch einen Abfall des Widerstands der Blutgefäße bei den Schweinen, denen das Ricin injiziert worden war, ein Zeichen dafür, dass ihr Kreislaufsystem gefährlich locker wurde. Diese frühen Trends waren konsistent und klar, was bewies, dass ein tragbarer Sensor tatsächlich als Frühwarnsystem dienen kann, indem er den Übergang von einem stabilen Zustand zu einem kämpfenden Zustand erkennt, ohne das Tier zu betäuben oder invasive Schläuche einzuführen.

Doch als die Vergiftung in ihre finalen, kritischen Stadien fortschritt, wurden die Grenzen der Technologie offensichtlich. Bei den Schweinen, denen das Ricin injiziert worden war, versagte das Gerät dabei, den schweren Blutdruckabfall zu erkennen, der bei dieser Art der Vergiftung auftritt. Während die in der Vergangenheit verwendeten invasiven Methoden einen rapiden Zusammenbruch des Blutdrucks zeigten, meldete der tragbare Sensor, dass der Druck relativ stabil blieb. Dies geschah, weil der Sensor auf den Puls angewiesen ist, der durch die Haut wandert, und wenn der Körper in den Schockzustand gerät, verändern sich die Blutgefäße in den Gliedmaßen in einer Weise, die die lichtbasierten Messungen verwirrt. Ähnlich verhielt es sich bei den Schweinen, die das Toxin eingeatmet hatten: Das Gerät konnte mit ihrer Atmung nicht Schritt halten. Als die Tiere nach Luft schnappten und mehr als sechzig Mal pro Minute atmeten, stieß die Software des Sensors an eine Grenze. Sie konnte nur bis zu etwa vierzig Atemzügen pro Minute zählen und fasste die schnellen, flachen Atemzüge zu einzelnen, langsameren Ereignissen zusammen, wodurch die Schwere ihrer Atembeschwerden effektiv verborgen wurde. Das Gerät blieb zudem unwissend über die Flüssigkeitsansammlung in den Lungen, einen Hauptverursacher des Kollapses, da es keine Wasseransammlungen in der Brusthöhle messen kann.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass diese tragbare Technologie ein leistungsstarkes Werkzeug für die ersten Stunden einer Krise ist und eine kontinuierliche, stressarme Möglichkeit bietet, auf die ersten Anzeichen physiologischer Probleme zu achten. Sie kann Forschern mitteilen, wann der Körper beginnt zu kämpfen, was entscheidend für das Timing von Interventionen ist. Dennoch ist sie kein vollständiger Ersatz für die hochintensiven Überwachungssysteme, die in der Intensivpflege eingesetzt werden. Sob sobald der Körper in die finalen Stadien des Versagens eintritt, verliert der nicht-invasive Sensor die Fähigkeit, das vollständige Bild zu erfassen, indem er die tiefen Blutdruckabfälle und die hektische Geschwindigkeit der Atmung, die das Endspiel definieren, übersieht. Die Forscher schlagen einen hybriden Ansatz vor: die Verwendung des tragbaren Geräts, um das Tier von Beginn an kontinuierlich zu beobachten, und den Wechsel zu invasiven Hochauflösungswerkzeugen erst dann, wenn die Situation kritisch wird. Diese Kombination würde es Wissenschaftlern ermöglichen, das Problem frühzeitig zu erkennen und gleichzeitig über die detaillierten Daten zu verfügen, die nötig sind, um das volle Ausmaß des Schadens zu verstehen, wenn es darauf ankommt.