Le travail, dirigé par des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego, apparaît dans le numéro de décembre de la revue Nature Communications.

Le capteur ingérable alimenté par un biocarburant facilite l’accès in situ à l’intestin grêle, ce qui facilite la surveillance du glucose tout en générant des résultats continus. Ces mesures fournissent un élément essentiel du suivi de la santé gastro-intestinale globale, un facteur majeur dans l’étude de la nutrition, le diagnostic et le traitement de diverses maladies, la prévention de l’obésité, et plus encore.

“Dans nos expériences, la technologie de biocapteur sans batterie a surveillé en permanence les niveaux de glucose dans l’intestin grêle des porcs 14 heures après l’ingestion, produisant des mesures toutes les cinq secondes pendant deux à cinq heures”, a déclaré Ernesto De La Paz Andres, étudiant diplômé en nanoingénierie à l’UC San Diego et l’un des co-premiers auteurs de l’article.”Notre prochaine étape consiste à réduire la taille des pilules de la longueur actuelle de 2,6 cm afin qu’elles soient plus faciles à avaler pour les sujets humains.”

Les anciennes méthodes de surveillance directe de l’intérieur de l’intestin grêle peuvent causer un inconfort important aux patients tout en ne générant que de courts enregistrements de données d’un environnement qui change continuellement. En revanche, ce biocapteur permet d’accéder à des lectures de données continues au fil du temps. La plateforme pourrait également être utilisée pour développer de nouvelles façons d’étudier le microbiome de l’intestin grêle. L’approche de la “pilule intelligente” pourrait conduire à des moyens plus simples et moins coûteux de surveiller l’intestin grêle, ce qui pourrait entraîner des économies de coûts importantes à l’avenir.

“Actuellement, la façon d’échantillonner le liquide à l’intérieur de l’estomac et des intestins est de faire une endoscopie, où un cathéter est inséré dans votre gorge et dans votre tractus gastro-intestinal par un médecin”, a déclaré Patrick Mercier, professeur de génie électrique et informatique à l’UC San Diego, qui a dirigé l’équipe avec le professeur de nanoingénierie Joseph Wang.Wang et Mercier codirigent l’UC San Diego Center for Wearable Sensors. “En combinant le circuit ultra-basse consommation et les technologies sans fil de mon laboratoire avec une pile à combustible alimentée au glucose et une détection électrochimique de pointe du laboratoire de Joseph Wang, professeur de nanoingénierie à l’UC San Diego, nous avons l’occasion de créer de nouvelles modalités pour comprendre ce qui se passe dans l’intestin grêle”, a déclaré Mercier.

Au lieu d’une batterie, cette “pilule intelligente” est alimentée par une pile à combustible non toxique qui fonctionne au glucose.

“Avec notre approche de pilule intelligente sans pile, nous avons la possibilité de surveiller l’intestin grêle beaucoup plus longtemps qu’un instant”, a déclaré Wang. “Nous prévoyons également d’ajouter des capteurs supplémentaires au système. Notre objectif est de développer une plate-forme de détection pour l’intestin qui permet la collecte de nombreux types d’informations sur de plus longues périodes.Nous travaillons pour montrer qu’il y a tellement d’occasions de découvrir ce qui se passe réellement dans l’intestin grêle. J’espère que ce type d’information sera utile pour mieux comprendre le rôle que jouent les changements dans l’environnement de l’intestin grêle dans la santé et la maladie.

Une façon plus intelligente de mesurer l’activité intestinale critique

Environ 20% d’entre nous souffriront de troubles gastro-intestinaux à un moment donné de notre vie. Ceux-ci peuvent inclure les maladies inflammatoires de l’intestin (MII), le diabète ou l’obésité, tous causés, en partie, par le dysfonctionnement des processus intestinaux impliquant l’absorption ou la digestion des métabolites intestinaux. Ces maladies représentent un coût important pour l’économie et une pression sur les systèmes de santé. Par conséquent, les enjeux de l’accès à l’information provenant des sections pertinentes du tractus gastro-intestinal sont assez élevés.

Cependant, le développement de capteurs ingérables tels que le nouveau système de pilules intelligent développé à l’UC San Diego présente des défis importants.

“Il s’est avéré difficile de créer un appareil ingérable équipé des capteurs et de l’électronique nécessaires pour effectuer une lecture sans fil et n’a pas besoin de piles”, a déclaré Wang.

Pour répondre à ces spécifications, l’équipe a atterri sur un biocapteur de biocarburant au glucose auto-alimenté intégré dans un circuit qui effectue la récupération d’énergie, la biodétection et la télémétrie sans fil à l’aide d’un schéma de conversion puissance-fréquence utilisant la communication magnétique du corps humain.

Le fonctionnement unique sans batterie est rendu possible par la pile à biocombustible au glucose (BFC) de l’équipe pour obtenir de l’énergie pendant le fonctionnement tout en mesurant simultanément les concentrations de glucose changeantes.Son système de communication magnétique corps humain (mHBC) économe en énergie fonctionne dans la gamme 40-200 MHz pour recevoir les signaux transmis résolus dans le temps.

“Il utilise le glucose présent dans les intestins comme biocarburant pour alimenter l’appareil”, a déclaré Mercier. “Faire fonctionner tout cela avec une électronique ultra-basse consommation et avec une pile à biocarburant au glucose stable mais petite ont été des défis techniques majeurs qui ont été abordés ici.”

La pilule intelligente de preuve de concept mesure 2,6 cm de long et 0,9 cm de diamètre. Jusqu’à présent, l’enregistrement des données sur l’intestin grêle n’a été effectué que chez les porcs, qui ont un tractus gastro-intestinal de taille similaire à celui des humains.

Étapes suivantes

Après avoir obtenu des résultats prometteurs dans ces expériences, les chercheurs prévoient maintenant d’augmenter le nombre de capteurs disponibles dans les pilules. Cela permettra de surveiller encore plus de paramètres chimiques dans les intestins. Ils prévoient également de miniaturiser davantage les capteurs et les circuits électroniques pour correspondre à ce qui est actuellement disponible sur le marché des pilules intelligentes.

“Étant donné que le tractus gastro-intestinal possède des changements dynamiques de pH, de température et de concentrations d’oxygène, les travaux futurs envisagent l’intégration de modalités de détection supplémentaires pour tenir compte de ces différences”, a déclaré De La Paz Andres.

Ce projet est une collaboration inter-campus de l’UC San Diego impliquant des chercheurs du Département de génie électrique et informatique et du Département de nanoingénierie de l’UC San Diego Jacobs School of Engineering; le UC San Diego Center for Wearable Sensors; le Centre d’innovation du microbiome de l’UC San Diego; la Division de gastroentérologie de l’UC San Diego Health; et le VA San Diego Healthcare System.

Avec De La Paz, Mercier et Wang, la recherche a été coécrite par Nikhil Harsha Maganti, Département de génie électrique et informatique, UC San Diego; Alexander Trifonov, Itthipon Jeerapan, Kuldeep Mahato, Lu Yin, Thitaporn Sonsa-ard, Nicolas Ma et Won Jung, Département de nanoingénierie, UC San Diego; Ryan Burns, Département de génie électrique et informatique, UC San Diego; et Amir Zarrinpar, Division de gastroentérologie et Centre d’innovation du microbiome, UC San Diego et VA San Diego Healthcare System.

Cette recherche a été soutenue par le UC San Diego Center for Wearable Sensors (CWS).

Source de l’histoire :

Matériaux fournis par Université de Californie – San Diego.Original écrit par Emerson Dameron. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

Référence de la revue:

1. Ernesto De la Paz, Nikhil Harsha Maganti, Alexander Trifonov, Itthipon Jeerapan, Kuldeep Mahato, Lu Yin, Thitaporn Sonsa-ard, Nicolas Ma, Won Jung, Ryan Burns, Amir Zarrinpar, Joseph Wang, Patrick P. Mercier. Un système de biodétection sans fil ingérable auto-alimenté pour la surveillance in situ en temps réel des métabolites du tractus gastro-intestinal. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-35074-y