Tecno

Un sensore ingeribile autoalimentato apre nuove strade per la ricerca sull’intestino

I ricercatori ingegneristici hanno sviluppato un sistema di biorilevamento ingeribile senza batteria, a forma di pillola, progettato per fornire un monitoraggio continuo nell’ambiente intestinale. Offre agli scienziati la possibilità di monitorare i metaboliti intestinali in tempo reale, cosa che prima non era possibile. Questa prodezza di integrazione tecnologica potrebbe sbloccare una nuova comprensione della composizione del metabolita intestinale, che ha un impatto significativo sulla salute umana in generale.

Il lavoro, condotto da ingegneri dell’Università della California a San Diego, appare nel numero di dicembre della rivista Nature Communications .

Il sensore ingeribile a biocarburante facilita l’accesso in situ all’intestino tenue, facilitando il monitoraggio del glucosio e generando risultati continui. Queste misurazioni forniscono una componente fondamentale per monitorare la salute gastrointestinale generale, un fattore importante nello studio della nutrizione, nella diagnosi e nel trattamento di varie malattie, nella prevenzione dell’obesità e altro ancora.

“Nei nostri esperimenti, la tecnologia del biosensore senza batteria ha monitorato continuamente i livelli di glucosio nell’intestino tenue dei maiali 14 ore dopo l’ingestione, producendo misurazioni ogni cinque secondi per due o cinque ore”, ha affermato Ernesto De La Paz Andres, uno studente laureato in nanoingegneria presso UC San Diego e uno dei co-primi autori del giornale. “Il nostro prossimo passo è ridurre le dimensioni delle pillole dagli attuali 2,6 cm di lunghezza in modo che siano più facili da deglutire per i soggetti umani”.

I vecchi metodi per il monitoraggio diretto dell’interno dell’intestino tenue possono causare un notevole disagio ai pazienti generando solo singole brevi registrazioni di dati di un ambiente che cambia continuamente. Al contrario, questo biosensore fornisce l’accesso a letture di dati continue nel tempo. La piattaforma potrebbe anche essere utilizzata per sviluppare nuovi modi per studiare il microbioma dell’intestino tenue. L’approccio della “pillola intelligente” potrebbe portare a modi più semplici ed economici per monitorare l’intestino tenue, il che potrebbe portare a significativi risparmi sui costi in futuro.

“Attualmente, il modo per campionare il fluido all’interno dello stomaco e dell’intestino è fare un’endoscopia, in cui un catetere viene inserito nella gola e nel tratto gastrointestinale da un medico”, ha detto Patrick Mercier, professore di ingegneria elettrica e informatica alla UC San Diego che ha guidato il team insieme al professore di nanoingegneria Joseph Wang.

Wang e Mercier co-dirigono l’UC San Diego Center for Wearable Sensors. “Combinando il circuito a bassissima potenza e le tecnologie wireless del mio laboratorio con la cella a combustibile alimentata a glucosio e il rilevamento elettrochimico all’avanguardia del laboratorio del professore di nanoingegneria della UC San Diego Joseph Wang, abbiamo l’opportunità di creare nuove modalità per comprendere cosa sta succedendo nell’intestino tenue”, ha detto Mercier.

Invece di una batteria, questa “pillola intelligente” è alimentata da una cella a combustibile non tossica che funziona a glucosio.

“Con il nostro approccio alla pillola intelligente senza batteria, abbiamo l’opportunità di monitorare l’intestino tenue per molto più tempo di un semplice momento”, ha affermato Wang.

“Abbiamo anche in programma di aggiungere ulteriori sensori al sistema. Il nostro obiettivo è sviluppare una piattaforma di rilevamento per l’intestino che consenta la raccolta di molti diversi tipi di informazioni per periodi di tempo più lunghi. Stiamo lavorando per dimostrare che c’è così tanto opportunità di scoprire cosa sta realmente accadendo nell’intestino tenue. Spero che questo tipo di informazioni sia utile per comprendere meglio il ruolo che i cambiamenti nell’ambiente dell’intestino tenue svolgono nella salute e nella malattia”.

Un modo più intelligente per misurare l’attività intestinale critica

Circa il 20% di noi soffrirà di disturbi gastrointestinali ad un certo punto della nostra vita. Questi possono includere la malattia infiammatoria intestinale (IBD), il diabete o l’obesità, tutti causati, in parte, dalla disfunzione dei processi intestinali che coinvolgono l’assorbimento o la digestione dei metaboliti intestinali. Tali malattie rappresentano un costo significativo per l’economia e mettono a dura prova i sistemi sanitari. Pertanto, la posta in gioco per accedere alle informazioni dalle sezioni pertinenti del tratto gastrointestinale è piuttosto elevata.

Tuttavia, ci sono sfide significative nello sviluppo di sensori ingeribili come il nuovo sistema di pillole intelligenti sviluppato presso l’UC San Diego.

“Si è dimostrato difficile creare un dispositivo ingeribile dotato dei sensori e dell’elettronica necessari per eseguire la lettura wireless e non necessita di batterie”, ha affermato Wang.

Per rispondere a queste specifiche, il team è approdato a un biosensore di biocarburanti di glucosio autoalimentato integrato in un circuito che esegue la raccolta di energia, il biosensore e la telemetria wireless utilizzando uno schema di conversione da potenza a frequenza che utilizza la comunicazione magnetica del corpo umano.

L’esclusivo funzionamento senza batteria è reso possibile dalla cella a biocarburante al glucosio (BFC) del team per ottenere energia durante il funzionamento misurando contemporaneamente le variazioni delle concentrazioni di glucosio. Il suo schema di comunicazione magnetica del corpo umano (mHBC) ad alta efficienza energetica opera nella gamma 40-200 MHz per ricevere i segnali trasmessi risolti nel tempo.

“Utilizza il glucosio presente nell’intestino come biocarburante per alimentare il dispositivo”, ha affermato Mercier. “Far funzionare tutto questo con l’elettronica a bassissima potenza e con una cella a biocarburante al glucosio stabile ma piccola sono state le principali sfide tecniche che sono state affrontate qui”.

La pillola intelligente proof-of-concept misura 2,6 cm di lunghezza e 0,9 cm di diametro. Finora, la registrazione dei dati dell’intestino tenue è stata eseguita solo nei suini, che hanno un tratto gastrointestinale di dimensioni simili a quelle umane.

Prossimi passi

Dopo aver ottenuto risultati promettenti in questi esperimenti, i ricercatori hanno ora in programma di aumentare il numero di sensori disponibili nelle pillole. Ciò consentirà il monitoraggio di ancora più parametri chimici nell’intestino. Hanno anche in programma di miniaturizzare ulteriormente i sensori e i circuiti elettronici per adattarli a ciò che è attualmente disponibile nel mercato delle pillole intelligenti.

“Dato che il tratto gastrointestinale possiede cambiamenti dinamici di pH, temperatura e concentrazioni di ossigeno, il lavoro futuro prevede l’integrazione di ulteriori modalità di rilevamento per tenere conto di queste differenze”, ha affermato De La Paz Andres.


Maggiori informazioni: Ernesto De la Paz et al, Un sistema di biosensing wireless ingeribile autoalimentato per il monitoraggio in situ in tempo reale dei metaboliti del tratto gastrointestinale, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-35074-e

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