Она позволяет проводить расширенную диагностику желудочно-кишечного тракта без инвазивных методов.
Исследователи всё больше осознают, насколько важную роль играет желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) в поддержании общего состояния здоровья. Помимо основной функции — пищеварения — ЖКТ участвует в выработке гормонов, иммунных клеток и нейромедиаторов, которые влияют на работу мозга и эмоциональное состояние.
Из-за этого в желудочно-кишечном тракте содержится множество биомаркеров, которые важны для диагностики, отслеживания и лечения заболеваний — от короткоцепочечных жирных кислот, связанных с метаболическим синдромом, до цитокинов, связанных с воспалением.
Однако современные технологии не позволяют получать эту биохимическую информацию непосредственно из желудочно-кишечного тракта. Существующие методы, такие как анализ кала и биопсия тканей, зачастую инвазивны, дорогостоящи и не позволяют получать непрерывные или полные данные в режиме реального времени по всей пищеварительной системе.
Умная капсула PillTrek от Калифорнийского технологического института имеет диаметр всего 7 миллиметров и длину 25 миллиметров. Она меньше, чем имеющиеся в продаже капсульные камеры, используемые для эндоскопии, но способна выполнять ряд электрохимических измерений в кишечнике.
Группа инженеров из Калифорнийского технологического института создала новую интеллектуальную капсулу под названием PillTrek, предназначенную для мониторинга pH, температуры и различных биомаркеров в желудочно-кишечном тракте. Устройство представляет собой компактную беспроводную электрохимическую систему, состоящую из доступных по цене датчиков и работающую на маломощной электронике. PillTrek имеет ширину всего 7 миллиметров и длину 25 миллиметров. Она меньше обычных камер для капсульной эндоскопии, но при этом способна выполнять широкий спектр электрохимических анализов.
Массив биосенсоров, напечатанный на 3D-принтере, лежит в основе электрохимической рабочей станции внутри интеллектуальной капсулы PillTrek Калифорнийского технологического института.
«Мы разработали эту таблетку как универсальную платформу, — говорит Вэй Гао, профессор медицинской инженерии в Калифорнийском технологическом институте и научный сотрудник Медицинского исследовательского института Heritage. — С точки зрения электрохимических датчиков она очень мощная. Она способна измерять уровень метаболитов, ионов, гормонов, таких как серотонин и дофамин, возможно, даже белков. И всё это в кишечнике, который представляет собой сложную среду».
Тестирование и разработка PillTrek
Исследовательская группа подробно описала разработку капсулы в недавно опубликованной статье в журнале Nature Electronics. Ведущие авторы статьи — Джихонг Мин, научный сотрудник в области медицинской инженерии в Калифорнийском технологическом институте, и Хюна Ан, приглашённый исследователь в Калифорнийском технологическом институте и аспирант Корейского передового института науки и технологий (KAIST).
Чтобы продемонстрировать свои возможности, PillTrek был протестирован на животных. Он успешно измерял pH и температуру, а также колебания уровня глюкозы и нейромедиатора серотонина.
Гао отмечает, что электрохимическая рабочая станция внутри капсулы является реконфигурируемой. Можно легко заменить различные датчики, чтобы измерять разные параметры в кишечнике. Его команда ранее разработала метод 3D-печати недорогих датчиков на листах пластиковой подложки. Этот метод можно использовать для массового производства датчиков для PillTrek.
Перспективные направления миниатюризации и их влияние
Что касается дальнейших шагов, Гао говорит, что он работает с соавтором Азитой Эмами, профессором электротехники и медицинской инженерии в Калифорнийском технологическом институте, над беспроводной передачей энергии и уменьшением размеров электроники, чтобы сделать PillTrek ещё меньше и энергоэффективнее.
«Проглатываемые капсулы обладают значительным потенциалом в области диагностики, мониторинга и лечения хронических заболеваний, но предыдущие устройства были очень ограничены в своих сенсорных возможностях, сроке службы и размере, — говорит Эмами, который также является директором Центра сенсорных технологий. — Эта работа — важный шаг на пути к созданию устройств, которые могут предоставлять значимую медицинскую информацию пациентам и врачам».