Инженеры-исследователи разработали биосенсорную систему в форме таблеток, без батареи для приема внутрь, предназначенную для обеспечения непрерывного мониторинга кишечной среды. Это дает ученым возможность отслеживать метаболиты в кишечнике в режиме реального времени, что раньше было невозможно. Данная технологическая интеграция поможет открыть новое о составе кишечных метаболитов, значимо влияющих на здоровье человека в целом. Работа, проведенная инженерами Калифорнийского университета в Сан-Диего (University of California San Diego), опубликована в научном журнале Nature Communications.
Новизна исследования
Проглатываемый датчик работает на биотопливе, облегчает доступ к тонкому кишечнику на месте, проводя мониторинг уровня глюкозы при одновременном получении непрерывных результатов. Эти данные являются важнейшим компонентом отслеживания общего состояния желудочно-кишечного тракта, основным фактором в изучении питания, диагностике и лечении различных заболеваний, профилактике ожирения и многом другом.
«В наших экспериментах технология биосенсора без батареи непрерывно контролировала уровень глюкозы в тонком кишечнике свиней через 14 часов после приема пищи, производя измерения каждые пять секунд в течение двух-пяти часов», – комментирует автор исследования Эрнесто Де Ла Пас Андрес (Ernesto De La Paz Andres). «Наш следующий шаг – уменьшить размер таблеток с нынешних 2,6 см в длину, чтобы людям было легче их глотать».
Старые методы непосредственного мониторинга тонкого кишечника могут вызывать значительный дискомфорт у пациентов, при этом генерируются только единичные короткие записи данных об окружающей среде, которая постоянно меняется. Напротив, новый биосенсор обеспечивает доступ к непрерывным считываниям данных с течением времени. Платформа также может быть использована для разработки новых способов изучения микробиома тонкого кишечника. Подход «умных таблеток» поможет разработать более простые и дешевые способы мониторинга тонкой кишки, что значительно сэкономит средства в будущем.
«В настоящее время для взятия проб жидкой среды желудка и кишечника используется эндоскопия, при которой врач вводит катетер в горло и желудочно-кишечный тракт», – комментирует Патрик Мерсье (Patrick Mercier).
«Объединив схему сверхнизкого энергопотребления и беспроводные технологии из моей лаборатории с топливным элементом на глюкозе и ультрасовременным электрохимическим зондированием из лаборатории профессора наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Джозефа Вана, у нас появилась возможность создать новые методы для понимания того, что происходит в тонком кишечнике», – добавил Мерсье.
Автономный датчик для приема пищи открывает новые возможности для исследований кишечной среды
Вместо батареи «умная таблетка» питается от нетоксичного топливного элемента, работающего на глюкозе.
«Благодаря нашему подходу к умным таблеткам без батареи у нас есть возможность контролировать тонкую кишку гораздо дольше, чем раньше», – добавляет Джозеф Ван (Joseph Wang). «Мы также планируем добавить в систему дополнительные датчики. Наша цель – разработать сенсорную платформу для кишечника, которая позволяет собирать множество различных видов информации в течение более длительных периодов времени. Мы работаем над тем, чтобы показать, что существует так много возможностей узнать, что на самом деле происходит в тонком кишечнике. Я надеюсь, что такого рода информация будет полезна для лучшего понимания роли, которую изменения в среде тонкого кишечника играют в здоровье и болезнях».
Более разумный способ измерения активности кишечника
«Оказалось трудно создать пригодное для употребления устройство, оснащенное необходимыми датчиками и электроникой для выполнения беспроводного считывания и не нуждающееся в батарейках», – заявляет Ван.
Чтобы удовлетворить эти требования, команда разработала биосенсор глюкозы на биотопливе с автономным питанием, интегрированный в схему, которая выполняет сбор энергии, биосенсорику и беспроводную телеметрию, используя схему преобразования мощности в частоту, использующую магнитную связь с человеческим телом.
Уникальная работа без батареи стала возможной благодаря разработанному командой элементу глюкозного биотоплива (BFC) для получения энергии во время работы при одновременном измерении изменяющихся концентраций глюкозы. Его энергоэффективная схема магнитной связи с человеческим телом (mHBC) работает в диапазоне 40-200 МГц для приема передаваемых сигналов с временным разрешением.
«Он использует глюкозу, присутствующую в кишечнике, в качестве биотоплива для питания устройства», – заявил Мерсье. «Заставить все это работать с электроникой сверхнизкого энергопотребления и со стабильной, но небольшой ячейкой на биотопливе из глюкозы было серьезной технической задачей, которая была решена здесь».
Проверенная концепция «умной таблетки» имеет размеры 2,6 см в длину и 0,9 см в диаметре. До сих пор регистрация данных о тонком кишечнике проводилась только у свиней, желудочно-кишечный тракт которых по размерам аналогичен человеческому.
Следующие шаги
Добившись многообещающих результатов в этих экспериментах, исследователи планируют увеличить количество датчиков, доступных в таблетках. Это позволит контролировать еще больше химических параметров. Ученые также планируют дальнейшую миниатюризацию датчиков и электронных схем, чтобы они соответствовали тому, что в настоящее время доступно на рынке смарт-таблеток.
«Учитывая, что желудочно-кишечный тракт подвержен динамическим изменениям рН, температуры и концентрации кислорода, будущая работа предусматривает интеграцию дополнительных методов зондирования для учета этих различий», – заключил Де Ла Пас Андрес.
Авторы другого исследования утверждают, что кишечные бактерии могут уменьшить вредное воздействие никотина на печень.
Ведущий специалист отдела организации клинических исследований, терапевт, врач ультразвуковой диагностики АО «СЗЦДМ» (г. Санкт-Петербург), главный редактор, учредитель сетевого издания Medical Insider, а также автор статей
E-mail для связи – [email protected];
