Niederfrequente Ultraschallwellen beeinflussen direkt die Eigenschaften des Blutflusses

Seit Jahrzehnten wird Ultraschall mit der Diagnostik in Verbindung gebracht – einem Routinescan in einem Krankenzimmer, einem Monitor, der Organe, Gewebe anzeigt, oder dem ersten Bild eines Babys. Allerdings betrachten Forscher Ultraschall mittlerweile aus einer ganz anderen Perspektive. Neue Erkenntnisse von Wissenschaftlern der Technischen Universität Kaunas (KTU) deuten darauf hin, dass Ultraschallwellen Ärzten nicht nur dabei helfen könnten, in das Innere des Körpers zu blicken, sondern dass niederfrequenter Ultraschall auch direkt den Blutfluss beeinflusst – was möglicherweise neue Möglichkeiten zur Unterstützung der Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Alzheimer und Diabetes eröffnet und den Bedarf an invasiven Eingriffen oder Medikamenten in Zukunft verringert.

Was die Forscher am meisten überraschte, war, dass Ultraschall das Blut nicht nur auf eine Weise beeinflusste. Ihre Studie zeigte, dass unterschiedliche Schallfrequenzen gegensätzliche Auswirkungen auf rote Blutkörperchen haben können: Sie können die Zellen entweder dazu anregen, sich zusammenzuschließen, oder sie in einzelne Zellen trennen.

Nicht-invasive Methode zur Verbesserung des Sauerstoffaustauschs

Rote Blutkörperchen, auch Erythrozyten genannt, neigen von Natur aus dazu, reversible Cluster zu bilden, die als Aggregate bezeichnet werden. Dieser Prozess beeinflusst die Blutviskosität – eine Eigenschaft, die eng mit der Durchblutung und dem Sauerstofftransport im gesamten Körper zusammenhängt.

Wenn sich Erythrozyten unter dem Einfluss von hochfrequentem Ultraschall zusammenballen, steigt die Blutviskosität, Blutdruck und Puls können ansteigen und der Sauerstoffaustausch wird weniger effizient.“

Vytautas Ostaševičius, Hauptautor der Studie, KTU-Professor

Die Forscher fanden heraus, dass hochfrequenter Ultraschall stehende Schallwellen erzeugt, die Erythrozyten in Regionen mit niedrigem Druck treiben und so die Aggregation fördern.

Niederfrequenter Ultraschall erzeugt jedoch wandernde Schallwellen, die Scherkräfte erzeugen, die in der Lage sind, aggregierte Erythrozyten in einzelne Zellen zu trennen.

Die Experimente zeigten, dass niederfrequenter Ultraschall Erythrozytenaggregate in einzelne Zellen auflösen kann. „Nach unserem Kenntnisstand wurde dieser Effekt bisher nicht nachgewiesen“, sagt Ostaševičius, Direktor des KTU-Instituts für Mechatronik.

Bei der Trennung der Erythrozyten entstehen Lücken zwischen ihnen, die die Blutviskosität verringern und die gesamte Zelloberfläche am Sauerstoffaustausch teilnehmen kann.

Die Idee für die Forschung entstand während der COVID-19-Pandemie, als Wissenschaftler nach nicht-invasiven Möglichkeiten suchten, Patienten mit schweren Atemwegskomplikationen zu unterstützen.

„Damals bestand ein dringender Bedarf an Therapien, die Patienten schnell und ohne Medikamente helfen konnten. Wir interessierten uns dafür, ob Ultraschall die Wechselwirkung zwischen Hämoglobin und Sauerstoff in der Lunge verstärken könnte“, sagt Ostaševičius.

Um dies zu untersuchen, teilte das Team das Blut der Patienten in mehrere hundert Proben auf, die Ultraschall unterschiedlicher Intensität ausgesetzt wurden und die Besonderheiten der Erythrozytendissoziation offenbarten. Bei der Untersuchung der Ultraschallausbreitung in biologischen Geweben entwickelte das Team mithilfe digitaler Zwillinge einen Niederfrequenz-Ultraschallwandler, der akustische Signale etwa viermal tiefer in biologische Gewebe senden kann als herkömmliche Geräte. Diese Technologie ist mittlerweile durch ein internationales Patent geschützt.

Mögliche Anwendungen bei der Behandlung von Alzheimer und Diabetes

Obwohl sich die Technologie noch in einem frühen Forschungsstadium befindet, glauben die Forscher, dass niederfrequenter Ultraschall irgendwann in mehreren medizinischen Bereichen eingesetzt werden könnte, in denen Blutzirkulation und Sauerstoffzufuhr eine wichtige Rolle spielen.

Einer der erforschten Bereiche ist die Krebstherapie. Da Tumorgewebe oft mechanisch schwächer ist als umgebendes gesundes Gewebe, werden akustische Wanderwellen als eine Möglichkeit erforscht, Tumorstrukturen selektiv zu beeinflussen. Allerdings befindet sich dieses Konzept noch in einem frühen Forschungsstadium.

„Niedrige Sauerstoffwerte in Tumoren bleiben eine der größten Herausforderungen in der Krebstherapie. Wenn die Sauerstoffversorgung des Gewebes lokal verbessert werden kann, kann dies dazu beitragen, die Wirksamkeit bestimmter Behandlungen zu erhöhen“, sagt Ostaševičius.

Potenzial sehen die Forscher auch in der Alzheimer-Therapie, wo der Ansatz als mögliche zukünftige Möglichkeit diskutiert wird, die Blut-Hirn-Schranke vorübergehend zu öffnen und künftig die gezielte Medikamentenabgabe an das Hirngewebe zu verbessern.

Laut Prof. Ostaševičius könnte die Technologie auch die Behandlung von diabetischen Fußgeschwüren unterstützen, bei denen eine gestörte Durchblutung die Wundheilung deutlich erschwert. „Mit Ultraschall lässt sich möglicherweise die Durchblutung des betroffenen Gewebes verbessern“, sagt er.

Weitere zukünftige Anwendungen könnten die gezielte Medikamentenverabreichung und unterstützende Therapien für Herz-Kreislauf- und Lungenerkrankungen sein.

Obwohl die Technologie noch experimentell ist, glauben die Forscher, dass ihre Ergebnisse das Verständnis von Ultraschall als mehr als nur ein diagnostisches Werkzeug erweitern. „Unsere Arbeit zeigt, dass Ultraschall die Bluteigenschaften mechanisch beeinflussen kann. Dies eröffnet Möglichkeiten für zukünftige nicht-invasive Therapien, die eines Tages bestehende medikamentöse und chirurgische Behandlungen ergänzen könnten“, sagt Ostaševičius.

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