Sensor ingerible autoalimentado ofrece una forma más inteligente de medir actividad intestinal crítica

Estos pueden incluir enfermedad inflamatoria intestinal (EII), diabetes u obesidad, todos causados, en parte, por la disfunción de los procesos intestinales que involucran la absorción o digestión de metabolitos intestinales. Tales enfermedades representan un costo significativo para la economía y una presión sobre los sistemas de salud. Por lo tanto, el interés de acceder a la información de las secciones relevantes del tracto GI son bastante altos. Los métodos más antiguos para monitorear directamente el interior del intestino delgado pueden causar una incomodidad significativa para los pacientes mientras generan solo registros cortos de datos únicos de un entorno que cambia continuamente. Ahora, los investigadores de ingeniería han desarrollado un sistema de biosensor ingerible en forma de píldora sin batería para proporcionar un monitoreo continuo en el entorno intestinal. Brinda a los científicos la capacidad de monitorear los metabolitos intestinales en tiempo real, lo que antes no era posible. Esta hazaña de integración tecnológica podría desbloquear una nueva comprensión de la composición de metabolitos intestinales, lo que afecta significativamente la salud humana en general.

El sensor ingerible impulsado por biocombustible desarrollado por ingenieros de la Universidad de California en San Diego (San Diego, CA, EUA) facilita el acceso in situ al intestino delgado, lo que facilita el control de la glucosa y genera resultados continuos. Estas mediciones proporcionan un componente crítico para el seguimiento de la salud gastrointestinal general, un factor importante en el estudio de la nutrición, el diagnóstico y el tratamiento de diversas enfermedades, la prevención de la obesidad y más. A diferencia de los métodos más antiguos, este biosensor proporciona acceso a lecturas de datos continuas a lo largo del tiempo. La plataforma también podría usarse para desarrollar nuevas formas de estudiar el microbioma del intestino delgado. El enfoque de la "píldora inteligente" podría conducir a formas más simples y económicas de monitorear el intestino delgado, lo que podría generar ahorros de costos significativos en el futuro.

En lugar de una batería, esta "píldora inteligente" funciona con una celda de combustible no tóxica que funciona con glucosa. Los investigadores desarrollaron un biosensor de biocombustible de glucosa autoalimentado integrado en un circuito que realiza recolección de energía, biodetección y telemetría inalámbrica utilizando un esquema de conversión de potencia a frecuencia que utiliza la comunicación magnética del cuerpo humano. La operación única sin batería es posible gracias a la celda de biocombustible de glucosa (BFC) del equipo para obtener energía durante la operación mientras se miden simultáneamente las concentraciones cambiantes de glucosa. Su esquema de comunicación magnética del cuerpo humano (mHBC) de eficiencia energética opera en el rango de 40-200 MHz para recibir las señales transmitidas con resolución de tiempo.

La píldora inteligente de prueba de concepto mide 2,6 cm de largo y 0,9 cm de diámetro. Hasta ahora, el registro de datos del intestino delgado solo se ha realizado en cerdos, que tienen un tracto gastrointestinal de tamaño similar al de los humanos. Habiendo logrado resultados prometedores en estos experimentos, los investigadores ahora planean aumentar la cantidad de sensores disponibles en las píldoras. Esto permitirá monitorear aún más parámetros químicos en los intestinos. También planean miniaturizar aún más los sensores y los circuitos electrónicos para que coincidan con lo que está disponible actualmente en el mercado de las píldoras inteligentes.

“En nuestros experimentos, la tecnología de biosensor sin batería monitoreó continuamente los niveles de glucosa en el intestino delgado de los cerdos 14 horas después de la ingestión, y arrojó mediciones cada cinco segundos durante dos a cinco horas”, dijo Ernesto De La Paz Andres, estudiante de posgrado en nanoingeniería de la Universidad de California San Diego. "Nuestro próximo paso es reducir el tamaño de las píldoras de los actuales 2,6 cm de longitud para que sean más fáciles de tragar para los seres humanos".

"Actualmente, la forma de tomar muestras de líquido dentro del estómago y los intestinos es hacer una endoscopia, en la que un médico inserta un catéter por la garganta hasta el tracto GI", dijo Patrick Mercier, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la UC San Diego, quien dirigió el equipo junto con el profesor de nanoingeniería Joseph Wang. "Al combinar el circuito de potencia ultrabaja y las tecnologías inalámbricas de mi laboratorio con la celda de alimentada por glucosa y la detección electroquímica de vanguardia del laboratorio del profesor de nanoingeniería de la Universidad de California en San Diego, Joseph Wang, tenemos la oportunidad de crear nuevas modalidades para comprender lo que está sucediendo en el intestino delgado".

“Con nuestro método de píldora inteligente sin batería, tenemos la oportunidad de monitorear el intestino delgado por mucho más tiempo que solo un momento”, dijo Wang. “También planeamos agregar sensores adicionales al sistema. Nuestro objetivo es desarrollar una plataforma de detección para el intestino que permita recopilar muchos tipos diferentes de información durante períodos de tiempo más prolongados. Estamos trabajando para mostrar que hay muchas oportunidades para descubrir lo que realmente sucede en el intestino delgado. Espero que este tipo de información sea útil para comprender mejor el papel que juegan los cambios en el entorno del intestino delgado en la salud y la enfermedad”.

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Universidad de California en San Diego