шлунку

Дослідники з Університету Пердью розробили 3D-роздруковану капсулу, здатну брати зразки бактерій у шлунку людини.

Друкована таблетка, яка виконує роль колоноскопії, може затримувати бактерії (біоми - тобто, бактеріальні екосистеми) не тільки в товстій кишці, але і в усьому шлунково-кишковому тракті. Це рішення може бути корисним не тільки для індивідуальної діагностики, а й для існуючих колоноскопічних процесів для кращого розуміння кишкових захворювань.

Колоноскопія vs. 3D друковані таблетки

За останнє десятиліття кілька досліджень виявили зв'язок між біологічним дисбалансом (дисбіозом) шлунка та різними захворюваннями, такими як діабет, ожиріння та метаболічний синдром (РС). Наявність певних видів бактерій може змінити метаболізм деяких лікарських засобів, таких як хіміотерапевтичні засоби та противірусні препарати. Отже, відбір проб мікробів є важливим для розуміння мікробіотичних взаємодій лікарських засобів та надає можливість розвивати доставку лікарських засобів для конкретного пацієнта.

Значна частина існуючих досліджень була проведена з використанням методів відбору проб ex-situ, заснованих на зборі калу. Оскільки у зразках калу можна виявити лише частину кишкових бактерій, докладено значних зусиль, щоб забезпечити пряме відбирання проб мікроорганізмів із шлунково-кишкового тракту (шлунково-кишкового тракту, тобто шлунково-кишкового тракту). Сам шлунково-кишковий тракт має дев’ять метрів і в діаметрі варіюється від пацієнта до пацієнта, тому безпосереднє відбір проб стикається з низкою проблем. Сучасні методи колоноскопії та гастроскопії обмежуються взяттям проб на певних етапах і можуть бути інвазивними, але пацієнти можуть не дотримуватися правил.

Розумні функціональні капсули пропонують альтернативне рішення, оскільки вони можуть збирати зразки бактерій уздовж ШКТ із заздалегідь визначених місць. Технологія капсульної ендоскопії PillCam (CE) вже є на ринку і широко використовується як неінвазивна альтернатива традиційним ендоскопіям. Відеодіагностичні можливості PillCam не можна заперечувати, але вона не може збирати та зберігати зразки. Незважаючи на те, що були спроби розробити капсулу для відбору проб на акумуляторі, пристрої залишалися в кишковому тракті пацієнта під час тестування через збої.

“Пасивно керована” вибірка пропонує більш компактний, безпечний та дешевий варіант, ніж раніше. Капсула рухається через шлунково-кишковий тракт за допомогою перистальтичного руху кишечника і має середню швидкість 1–2 см/хв.

Дизайн капсули Пердью

Дослідницька група з Університету Пердью створила капсулу, яка використовує властивості набухання абсорбуючого гідрогелю для збору біоорганізмів. Гідрогелі є суперабсорбентом і можуть поглинати у водних середовищах до 150-300 разів більше їх ваги, що робить їх ідеальними для зберігання бактерій. Включення абсорбційної здатності гідрогелів у розробку таблетки дозволило пристрою бути неінвазивним і потрапляти в недоступні раніше ділянки ШКТ.

Сама таблетка складається з чотирьох частин: біологічно розкладається, кишковорозчинна оболонка, «корпус» з надрукованим 3D, гідрогель для відбору проб та газопроникна мембрана PDMS. Дослідницька група створила планшети за допомогою 3D-принтера Form2 з біосумісним, світлоотверждающимся полімером. Кожна капсула діаметром 9 мм і довжиною 15 мм містила гідрогель для відбору проб та мембрану товщиною 1 мм.

Біорозкладане кишковорозчинне покриття затримує активацію капсули до досягнення цілі. Як тільки воно прибуває до місця призначення, покриття розчиняється, дозволяючи рідинам ГІ наповнювати пристрій. Коли зневоднений гідрогель поширюється всередину таблетки, він штовхає мембрану PDMS у отвір капсули і закривається, коли пристрій заповнений.

Тестування ефективності капсули Пердью

Щоб оцінити нещодавно розроблені таблетки, група також провела тест на герметичність та бактеріальний тест in vitro. Для оцінки механізму герметизації пристрою зібрану капсулу та окремо лише гідрогель занурювали в розчин хлориду натрію та деіонізовану воду на вісім годин. Різниця між двома гідрогелями була візуалізована шляхом додавання червоного харчового барвника для отримання точних даних про їх рівень поглинання.

Встановлено, що рівень поглинання в герметичній капсулі та в чистій деіонізованій воді є порівнянним і з часом залишається стабільним. Тому випробування підтвердило, що між гідрогелем всередині герметичної капсули та розчином хлориду натрію не було обміну рідини.

Щоб перевірити, чи пристрій здатний відбирати бактеріальні зразки, дослідники занурювали капсули в культуральне середовище в середовище, що імітувало середовище ШКТ. Три повністю зібрані капсули та один голий зразок гідрогелю занурювали у три різні розчини, кожна на одну годину. Умови розроблені таким чином, щоб бути ворожими до бактерій, і якщо капсула недостатньо захищає біому в ній, вони неодмінно загинуть.

Зображення SEM у поперечному перерізі підтвердили наявність бактерій на поверхні гідрогелю та здатність бактерій E. coli зв’язуватися з твердою полімерною мережею гелю. У подальших дослідженнях комбінація відбілювача та антибіотика Тобраміцин була використана для моделювання найгіршого можливого, але все ще реалістичного середовища. Встановлено, що кількість життєздатних бактерій у голих гідрогелях за будь-яких умов нижча, ніж у зразках, витягнутих із закритих капсул. Хоча кількість бактерій в останньому тесті була нижчою, ніж у першому випадку, той факт, що в капсулі був виявлений живий біом, надає додаткові докази того, що гідрогель забезпечував поживне середовище існування бактерій.

Команда Purdue вважає, що недорогий і простий дизайн планшета дозволить його широко використовувати в майбутньому в клінічних умовах. Зараз вчені зосереджуються на тестах in vivo в кишковому тракті тварин.

Попередні 3D-друковані капсули

3D-роздруковані капсули дотепер були важливим інструментом для вчених, оскільки вони пропонують неінвазивний спосіб дослідження та впливу на внутрішню частину людського тіла.

У дослідницькому проекті, який проводив Університет Тафтса, дослідники також надрукували капсулу для відбору бактерій у кишечнику, а вчені Лондонського університетського коледжу (UCL) виявили несподівану хімічну реакцію під час виготовлення капсул, надрукованих 3D. Експерименти показали, що антигіпертензивний препарат амлодипін не може бути виявлений у присутності інших препаратів. Команда з Університету Св. Джона в Нью-Йорку створила роздруковані 3D-таблетки, які можуть запобігти зловживанню опіоїдами у пацієнтів, які перебувають у залежності та лікуються опіоїдами. Овальні таблетки, які називаються «яйцями», були розроблені, щоб ускладнити їх споживання в рекреаційних цілях.