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Pesquisadores de engenharia desenvolveram um sistema de biossensor ingerível em forma de pílula, sem bateria, projetado para fornecer monitoramento contínuo no ambiente intestinal. Ele dá aos cientistas a capacidade de monitorar metabólitos intestinais em tempo real, o que não era possível antes. Essa façanha de integração tecnológica pode desbloquear uma nova compreensão da composição de metabólitos intestinais, que impacta significativamente a saúde humana em geral.
O trabalho, liderado por engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego, aparece na edição de dezembro da revista Natureza Comunicações.
O sensor ingerível movido a biocombustível facilita o acesso in situ ao intestino delgado, facilitando o monitoramento da glicose e gerando resultados contínuos. Essas medições fornecem um componente crítico para rastrear a saúde gastrointestinal geral, um fator importante no estudo da nutrição, no diagnóstico e tratamento de várias doenças, na prevenção da obesidade e muito mais.
“Em nossos experimentos, a tecnologia de biossensor sem bateria monitorou continuamente os níveis de glicose no intestino delgado de porcos 14 horas após a ingestão, produzindo medições a cada cinco segundos por duas a cinco horas”, disse Ernesto De La Paz Andres, aluno de pós-graduação em nanoengenharia da UC San Diego e um dos primeiros autores do artigo. “Nosso próximo passo é reduzir o tamanho das pílulas dos atuais 2,6 cm de comprimento, para que sejam mais fáceis de engolir por seres humanos.”
Métodos mais antigos para monitorar diretamente o interior do intestino delgado podem causar desconforto significativo para os pacientes, gerando apenas registros curtos de dados de um ambiente que muda continuamente. Por outro lado, este biossensor fornece acesso a leituras contínuas de dados ao longo do tempo. A plataforma também pode ser usada para desenvolver novas formas de estudar o microbioma do intestino delgado. A abordagem da “pílula inteligente” pode levar a maneiras mais simples e baratas de monitorar o intestino delgado, o que pode levar a uma economia significativa de custos no futuro.
“Atualmente, a maneira de coletar uma amostra de fluido dentro do estômago e intestino é fazer uma endoscopia, onde um cateter é inserido na garganta e no trato gastrointestinal por um médico”, disse Patrick Mercier, professor de engenharia elétrica e de computação da UC. San Diego, que liderou a equipe junto com o professor de nanoengenharia Joseph Wang. Wang e Mercier codirigem o UC San Diego Center for Wearable Sensors. “Ao combinar o circuito de ultrabaixa potência e as tecnologias sem fio do meu laboratório com a célula de combustível movida a glicose e a detecção eletroquímica de ponta do laboratório do professor de nanoengenharia da UC San Diego, Joseph Wang, temos a oportunidade de criar novas modalidades para entender o que está acontecendo no intestino delgado”, disse Mercier.
Em vez de uma bateria, esta “pílula inteligente” é alimentada por uma célula de combustível não tóxica que funciona com glicose.
“Com nossa abordagem de pílula inteligente sem bateria, temos oportunidades de monitorar o intestino delgado por muito mais tempo do que apenas um momento”, disse Wang. “Também planejamos adicionar sensores adicionais ao sistema. Nosso objetivo é desenvolver uma plataforma de detecção para o intestino que permita a coleta de muitos tipos diferentes de informações por períodos de tempo mais longos. Estamos trabalhando para mostrar que há tanto oportunidade de descobrir o que realmente está acontecendo no intestino delgado. Espero que esse tipo de informação seja útil para entender melhor o papel que as mudanças no ambiente do intestino delgado desempenham na saúde e na doença.”
Uma maneira mais inteligente de medir a atividade intestinal crítica
Aproximadamente 20% de nós sofrerá de distúrbios gastrointestinais em algum momento de nossas vidas. Estes podem incluir doença inflamatória intestinal (DII), diabetes ou obesidade, todos causados, em parte, pela disfunção dos processos intestinais envolvendo a absorção ou digestão de metabólitos intestinais. Tais doenças representam um custo significativo para a economia e sobrecarregam os sistemas de saúde. Portanto, os riscos de acessar informações das seções relevantes do trato GI são bastante altos.
No entanto, existem desafios significativos para o desenvolvimento de sensores ingeríveis, como o novo sistema de pílula inteligente desenvolvido na UC San Diego.
“Tem sido difícil criar um dispositivo ingerível equipado com os sensores e componentes eletrônicos necessários para realizar a leitura sem fio e que não precise de baterias”, disse Wang.
Para atender a essas especificações, a equipe pousou em um biossensor de biocombustível de glicose autoalimentado integrado a um circuito que realiza coleta de energia, biossensing e telemetria sem fio usando um esquema de conversão de energia para frequência utilizando a comunicação magnética do corpo humano.
A operação exclusiva sem bateria é possibilitada pela célula de biocombustível de glicose (BFC) da equipe para obter energia durante a operação enquanto mede simultaneamente as alterações nas concentrações de glicose. Seu esquema de comunicação magnética do corpo humano (mHBC) energeticamente eficiente opera na faixa de 40-200 MHz para receber os sinais transmitidos resolvidos no tempo.
“Ele usa a glicose presente no intestino como um biocombustível para alimentar o dispositivo”, disse Mercier. “Fazer tudo isso funcionar com eletrônicos de ultrabaixa potência e com uma célula de biocombustível de glicose estável, mas pequena, foram os principais desafios técnicos que foram abordados aqui.”
A pílula inteligente de prova de conceito mede 2,6 cm de comprimento e 0,9 cm de diâmetro. Até agora, o registro de dados do intestino delgado só foi realizado em porcos, que têm um trato GI de tamanho semelhante ao dos humanos.
Próximos passos
Tendo alcançado resultados promissores nesses experimentos, os pesquisadores planejam agora aumentar o número de sensores disponíveis nas pílulas. Isso permitirá o monitoramento de ainda mais parâmetros químicos nos intestinos. Eles também planejam miniaturizar ainda mais os sensores e circuitos eletrônicos para corresponder ao que está atualmente disponível no mercado de pílulas inteligentes.
“Dado que o trato gastrointestinal possui mudanças dinâmicas de pH, temperatura e concentrações de oxigênio, o trabalho futuro prevê a integração de modalidades de detecção adicionais para explicar essas diferenças”, disse De La Paz Andres.
Este projeto é uma colaboração entre campus da UC San Diego envolvendo pesquisadores do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação e do Departamento de Nanoengenharia da Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego; o Centro de Sensores vestíveis da UC San Diego; o Centro de Inovação de Microbioma da UC San Diego; a Divisão de Gastroenterologia da UC San Diego Health; e o Sistema de Saúde VA San Diego.
Junto com De La Paz, Mercier e Wang, a pesquisa foi co-autoria de Nikhil Harsha Maganti, Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, UC San Diego; Alexander Trifonov, Itthipon Jeerapan, Kuldeep Mahato, Lu Yin, Thitaporn Sonsa-ard, Nicolas Ma e Won Jung, Departamento de Nanoengenharia, UC San Diego; Ryan Burns, Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, UC San Diego; e Amir Zarrinpar, Divisão de Gastroenterologia e Centro de Inovação em Microbioma, UC San Diego e VA San Diego Healthcare System.
Esta pesquisa foi apoiada pelo UC San Diego Center for Wearable Sensors (CWS).
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