PillTrek-Immagine: PillTrek, una piattaforma elettrochimica a capsula per l’analisi continua e multipla del fluido gastrointestinale. Crediti: Nature Electronics
Gli scienziati stanno scoprendo sempre più che il tratto gastrointestinale (GI) svolge un ruolo vitale per la nostra salute generale. Sebbene le sue funzioni principali siano incentrate sulla digestione, il tratto GI è anche coinvolto nella produzione di ormoni, cellule immunitarie e persino neurotrasmettitori che possono influenzare l’umore e le funzioni cerebrali. Pertanto, il tratto GI ospita molti biomarcatori diversi che possono essere utili per identificare, monitorare e trattare le malattie: dagli acidi grassi a catena corta, indicatori della sindrome metabolica, alle citochine, biomarcatori dell’infiammazione.
Tuttavia, attualmente non esiste una tecnologia in grado di profilare facilmente queste informazioni metaboliche e molecolari provenienti dal tratto gastrointestinale. I metodi di valutazione tradizionali prevedono l’analisi fecale o la biopsia, metodi invasivi, costosi e incapaci di fornire una profilazione in tempo reale dell’intero tratto gastrointestinale.
Ora un team di ingegneri del Caltech ha sviluppato una capsula intelligente chiamata PillTrek, in grado di misurare pH, temperatura e una varietà di diversi biomarcatori. Incorpora sensori semplici ed economici in una workstation elettrochimica wireless miniaturizzata che si basa su componenti elettronici a basso consumo. PillTrek è minuscola, con un diametro di 7 millimetri e una lunghezza di 25 millimetri, il che la rende più piccola delle telecamere a capsula disponibili in commercio utilizzate per l’endoscopia, ma in grado di eseguire una vasta gamma di misurazioni elettrochimiche.
“Abbiamo progettato questa pillola per renderla una piattaforma molto versatile”, afferma Wei Gao, professore di ingegneria medica al Caltech e ricercatore presso l’Heritage Medical Research Institute. “Dal punto di vista della rilevazione elettrochimica, è molto potente. Ha la capacità di misurare metaboliti, ioni, ormoni come la serotonina e la dopamina, e forse anche proteine. E tutto all’interno dell’intestino, che è un ambiente complesso”.
Gli scienziati descrivono la capsula in un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Nature Electronics. Gli autori principali dell’articolo sono Jihong Min, borsista post-dottorato in ingegneria medica al Caltech e Hyunah Ahn, visiting Professor in ingegneria medica al Caltech e studente laureato presso il Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).
Come prova del concetto, nello studio è stato utilizzato PillTrek per misurare il pH e la temperatura, nonché i livelli variabili di glucosio e del neurotrasmettitore serotonina nei modelli animali.
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Gao sottolinea che la stazione di lavoro elettrochimica all’interno della capsula è riconfigurabile. Diversi sensori potrebbero essere facilmente sostituiti per consentire la misurazione di diversi parametri nell’intestino. Il suo team ha precedentemente sviluppato una tecnica per la stampa 3D di sensori economici su fogli di substrato plastico. Questa tecnica può essere utilizzata per produrre in serie i sensori per PillTrek.
Per quanto riguarda i prossimi passi, Gao afferma di stare lavorando con la coautrice Azita Emami, Prof.ssa di ingegneria elettrica e ingegneria medica Andrew and Peggy Cherng al Caltech e Direttrice del Center for Sensing to Intelligence, per studiare il trasferimento di energia wireless e componenti elettronici più piccoli che renderebbero PillTrek ancora più piccolo e con un consumo energetico inferiore.
Astratto
Il tratto gastrointestinale contiene una grande quantità di informazioni chimiche che possono essere utilizzate per decifrare la salute dell’apparato digerente e del sistema nervoso. I metodi di analisi tradizionali, come l’analisi fecale e le biopsie, sono invasivi, costosi e incapaci di fornire un profilo metabolico e ormonale in tempo reale lungo tutto il tratto gastrointestinale. Sono stati sviluppati sensori commerciali in capsule ingeribili, ma monitorano solo marcatori di base, come pH e pressione, trascurando l’analisi chimica dettagliata. In questo articolo presentiamo una capsula intelligente integrata in grado di rilevare simultaneamente uno spettro di marcatori biochimici, inclusi elettroliti, metaboliti e ormoni. La capsula, denominata PillTrek, ha un diametro di 7 mm e una lunghezza di 25 mm e ospita una stazione di lavoro elettrochimica wireless miniaturizzata in grado di eseguire una gamma di tecniche di misurazione elettrochimica (potenziometria, amperometria, voltammetria e impedimetria), consentendole di interfacciarsi con una varietà di sensori elettrochimici e rilevare vari parametri nell’intestino. Utilizzando una serie di sensori (serotonina, glucosio, pH, forza ionica e temperatura), illustriamo le capacità del sistema in vitro e in vivo in studi sugli animali che coinvolgono modelli di ratto e coniglio, monitorando il profilo dinamico di questi biomarcatori cruciali e la loro risposta a diversi apporti alimentari“.
Altri autori dell’articolo sono Heather Lukas (MS ’21), Xiaotian Ma, Rinni Bhansali, Sung-Hyuk Sunwoo, Canran Wang (MS ’23), Yadong Xu, Dickson R. Yao e Gwangmook Kim del Caltech, nonché Zhaoping Li e Tzung K. Hsiai della David Geffen School of Medicine presso l’UCLA e Hee-Tae Jung del KAIST.
Fonte:Nature Electronics