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

Vergiftiging door ricine, een toxine dat in castorbonen wordt gevonden, is een angstaanjagend snel verlopende gebeurtenis. Zodra het het lichaam binnendringt, schakelt het het vermogen van de cellen om eiwitten te maken uit, wat binnen enkele uren tot orgaanfalen leidt. De schade hangt sterk af van de manier waarop het gif binnenkomt. Als het wordt ingeademd, overspoelt het de longen met vocht, waardoor ademhalen onmogelijk wordt. Als het in een spier wordt geïnjecteerd, veroorzaakt het een kettingreactie die de bloedvaten ongecontroleerd doet verwijden, waardoor de bloeddruk daalt en het lichaam van zuurstof wordt beroofd. Omdat het venster om een slachtoffer te redden zo smal is, hebben artsen en onderzoekers een manier nodig om de allereerste tekenen van problemen te detecteren voordat het lichaam instort. Traditioneel vereiste dit het insteken van slangen in bloedvaten en het onder narcose brengen van dieren, wat de reactie van het lichaam verandert en het moeilijk maakt om het gif in een natuurlijke staat te bestuderen. Wetenschappers zoeken al lang naar een betere manier: een apparaat dat een levend, bewegend dier kan observeren zonder het aan te raken, waarbij de subtiele verschuivingen in hart- en longfunctie die het begin van de ramp signaleren, worden gevolgd.

In een recente studie testten onderzoekers van het Israëlische Instituut voor Biologisch Onderzoek een nieuw soort draagbare monitor om te zien of het deze vroege waarschuwingssignalen bij varkens kon opvangen. Ze kozen varkens omdat hun harten en longen zeer veel lijken op die van ons, wat hen de beste proefpersonen voor humane geneeskunde maakt. Het team gebruikte een op de borst gedragen sensor die licht in de huid schijnt om de pols en de bloedstroom af te lezen, een methode die bekend staat als fotoplethysmografie. Dit apparaat, dat lijkt op een kleine pleister, werd vastgemaakt aan tweeëntwintig wakkere varkens. Vijf varkens dienden als een gezonde controlegroep, terwijl de anderen werden blootgesteld aan ricine, ofwel via hun longen ofwel door injectie in de dijspier. Het doel was simpel: kon deze niet-invasieve pleister het moment detecteren waarop het gif begon te werken, en kon het de achteruitgang volgen tot het einde?

De resultaten toonden aan dat het apparaat opmerkelijk goed was in het opvangen van de eerste golf van de strijd van het lichaam. In beide groepen vergiftigde varkens detecteerde de sensor een duidelijke verschuiving ongeveer veertig tot vijftig procent van de monitoringperiode door. De harten van de dieren begonnen sneller te kloppen en de hoeveelheid bloed die bij elke slag werd rondgepompt, nam toe. Dit was de wanhopige poging van het lichaam om te compenseren, in een poging om de zuurstofstroom op peil te houden ondanks de aanval van het toxine. Het apparaat merkte ook een daling op in de weerstand van de bloedvaten bij de varkens in wie ricine was geïnjecteerd, een teken dat hun circulatiesysteem gevaarlijk begon te verslappen. Deze vroege trends waren consistent en duidelijk, wat bewees dat een draagbare sensor inderdaad kan fungeren als een vroeg waarschuwingssysteem, dat de overgang van een stabiele staat naar een strijdende staat detecteert zonder dat het dier moet worden gesedeerd of invasieve slangen hoeven te worden ingebracht.

Echter, naarmate de vergiftiging vorderde naar de laatste, kritieke stadia, werden de beperkingen van de technologie duidelijk. Bij de varkens in wie ricine was geïnjecteerd, slaagde het apparaat er niet in de ernstige daling in de bloeddruk te zien die bekendstaat bij dit type vergiftiging. Terwijl de invasieve methoden die in eerdere studies werden gebruikt een snelle instorting van de bloeddruk lieten zien, rapporteerde de draagbare sensor dat de druk relatief stabiel bleef. Dit gebeurde omdat de sensor vertrouwt op de polsslag die door de huid reist, en wanneer het lichaam in shock raakt, veranderen de bloedvaten in de ledematen op manieren die de lichtgebaseerde metingen in verwarring brengen. Op dezelfde manier kon het apparaat bij de varkens die het toxine hadden ingeademd, niet meekomen met hun ademhaling. Terwijl de dieren naar lucht hapten en meer dan zestig keer per minuut ademden, liep de software van de sensor tegen een plafond aan. Het kon slechts tot ongeveer veertig ademhalingen per minuut tellen, waardoor het de snelle, oppervlakkige snak naar adem samenvoegde tot enkele, langzamere gebeurtenissen, waardoor de ernst van hun ademnood effectief werd verborgen. Het apparaat was ook niet op de hoogte van de vochtophoping in de longen, een belangrijke drijfveer van de instorting, omdat het geen water in de borstholte kan meten.

De studie concludeert dat deze draagbare technologie een krachtig hulpmiddel is voor de eerste uren van een crisis, en een continue, stressarme manier biedt om te letten op de eerste tekenen van fysiologische problemen. Het kan onderzoekers vertellen wanneer het lichaam begint terug te vechten, wat cruciaal is voor het timen van interventies. Toch is het geen volledige vervanging voor de zware monitoring die in de intensive care wordt gebruikt. Zodra het lichaam de laatste stadia van falen ingaat, verliest de niet-invasieve sensor zijn vermogen om het volledige beeld te zien, waarbij hij de diepe dalingen in de bloeddruk en de hectische snelheid van de ademhaling mist die het eindspel definiëren. De onderzoekers stellen voor dat de beste aanpak een hybride is: het gebruik van het draagbare apparaat om het dier continu te observeren vanaf het begin, en vervolgens over te schakelen naar invasieve, hoog-resolutie instrumenten zodra de situatie kritiek wordt. Deze combinatie zou wetenschappers in staat stellen om het probleem vroegtijdig te vangen, terwijl ze nog steeds over de gedetailleerde gegevens beschikken die nodig zijn om de volledige omvang van de schade te begrijpen wanneer dat het meest cruciaal is.