Наноинженеры разработали автономное устройство, способное измерять и передавать данные об уровне глюкозы в тонком кишечнике. Капсула, которую можно проглотить, может быть использована для передачи в реальном времени информации о важнейших метаболитах в организме человека, считают специалисты под руководством Джозефа Ванга и Патрика П. Мерсье из Калифорнийского университета Сан-Диего (Ла-Джолла, США), которые разработали и испытали устройство на модели свиньи [1].
Внутри желудочно-кишечного тракта
Исследование организма изнутри — это мощный способ изучения заболеваний. Гастроскопы и энтероскопы сделали возможным осмотр стенок желудка и кишечника на предмет повреждений и изменений. Кишечные капсулы, в которые встроены источники света, камеры, батареи и передатчики, могут дать нам живую картину того, что происходит на стенках пищеварительного тракта. Однако камеры дают лишь моментальные снимки тела в определенный момент времени. Для выявления динамики метаболизма необходимы датчики, передающие данные в реальном времени из интересующего нас места, но прямые измерения метаболизма затруднены.
Метаболические данные тонкого кишечника обычно получают косвенно, через стул или дыхательные тесты, а концентрацию глюкозы обычно получают из крови. В отличие от этого, капсула, разработанная Вангом, Мерсье и их командой, впервые измеряет и передает данные о динамике уровня глюкозы в реальном времени, пока она проходит по тонкому кишечнику. Этот участок кишечника длиной от трех до пяти метров перед толстым кишечником создает две основные проблемы для разработки инкапсулированных датчиков: источник питания и pH-среда для чувствительных электродов.
Комбинированный генератор энергии и сенсор
Для питания датчиков и передачи данных нерастворимые капсулы обычно полагаются на батареи. Однако батареи увеличивают размер капсулы и обеспечивают энергией только на определенное время. Кроме того, они содержат токсичный элемент, который может вытечь, если корпус сломается. Поэтому исследователи сосредоточились на биотопливных элементах, которые вырабатывают электрическую энергию из метаболитов, таких как глюкоза или лактат. Разработанный ими глюкозный биотопливный элемент выполнял двойную функцию: он не только обеспечивал энергию для работы и передачи, но и сам осуществлял зондирование.
Глюкозные биотопливные элементы вырабатывают энергию в результате реакции глюкозооксидазы. Для этой реакции необходим нейтральный pH, а это значит, что электроды должны были быть защищены от кислой среды желудка. В качестве покрытия были использованы три слоя чувствительного к рН энтерального покрытия, которое сохраняло датчик в желудке, но растворялось в рН-нейтральной среде тонкого кишечника, тем самым обнажая электроды. Остальная электроника, включая микрочип и антенну, оставалась заключенной в стабильную 3D-печатную оболочку из силикона и полиуретана.
Модель свиньи
Для тестирования устройства исследователи использовали модель свиньи. Они кормили свинью под наркозом капсулой (путем интубации) и держали (разбуженное) животное на голодном пайке. Через 14 часов, когда капсула попала в тонкий кишечник, свинью снова наркотизировали и кормили растворами глюкозы различной концентрации, примерно сопоставимой с приемом нуля, одной, двух или трех двухграммовых капель глюкозы в большом стакане воды.
Свиней кормили растворами глюкозы различной концентрации.
Подача растворов приводила к четкой реакции приемника. Параллельно проводилось измерение уровня глюкозы в крови обычным методом. В то время как капсула измеряла пошаговые изменения, отражающие поступление болюса в тонкий кишечник, уровень глюкозы в крови повышался непрерывно. Это означает, что мониторинг обеих концентраций может быть использован для выявления трудностей в усвоении сахара. “Других способов удобного измерения концентрации глюкозы в кишечнике в реальном времени не существует”, — заявляют исследователи.
В перспективе исследователи предполагают интегрировать в эту схему с автономным питанием еще больше датчиков, например, для отслеживания pH, кислорода или других метаболитов и лекарств. Однако сначала необходимо проверить несколько параметров. Например, неясно, что происходит, когда свинья бодрствует и присутствует твердая пища, поскольку твердые части могут блокировать электроды и снизить их реакцию.
Размеры устройства также нуждаются в тонкой настройке. При своих размерах — более двух с половиной сантиметров в длину и почти один сантиметр в диаметре — капсулу трудно проглотить, и она может даже привести к осложнениям при прохождении через пищеварительный тракт.