Les scientifiques ont longtemps lutté avec la façon d'étudier le vaste système nerveux de l'intestin – souvent appelé le «deuxième cerveau» du corps – sans l'endommager. Les méthodes de recherche actuelles sont invasives et nécessitent souvent des chirurgies complexes qui rendent difficile l'étude de la fonction intestinale normale.
« Si vous regardez comment nous faisons une étude en essayant de cartographier la fonction neuronale dans l'intestin, tout est extrêmement grossier », a déclaré Khalil Ramadi, un chercheur de la NYU qui a développé une nouvelle approche de ce défi. « Nous n'avons tout simplement pas de bons outils pour cela. »
Une équipe dirigée par Ramadi – professeur adjoint de bio-ingénierie à la NYU Tandon School of Engineering et directeur du Laboratory for Advanced Neuroengineering and Translational Medicine chez NYU Abu Dhabi (NYUAD) – a créé des dispositifs ingérables appelés ICOPS (stimulation optogénétique contrôlée ingestionnable) qui offre une stimulation de la lumière ciblée directement à la GUT.
La technologie permet aux chercheurs d'éclairer avec précision des régions spécifiques du tractus intestinal, activant des cellules nerveuses spécifiques. Il pourrait être utilisé pour observer comment ces cellules contrôlent la digestion, par exemple, et révéler de nouvelles cibles pour le traitement des conditions comme la gastroparésie, où l'estomac se vide trop lentement, ou les maladies métaboliques et les troubles de l'alimentation. L'approche représente une amélioration spectaculaire par rapport aux méthodes actuelles, qui impliquent généralement des procédures chirurgicales invasives pour implanter les fibres optiques.
L'appareil permet l'optogénétique, une technique qui rend les cellules spécifiques sensibles à la lumière. Les scientifiques modifient d'abord les neurones cibles pour répondre à la stimulation légère, puis le patient avale la pilule équipée par LED.
Vous pouvez entrer, transfecter un certain sous-ensemble de cellules pour être sensible à la lumière, puis avaler cette pilule légère chaque fois que vous voulez activer ces cellules. «
Khalil Ramadi, chercheur NYU, professeur adjoint de bio-ingénierie à la NYU Tandon School of Engineering
Dans un article publié dans Technologies de matériaux avancésles chercheurs montrent comment ces appareils pourraient contrôler le système nerveux entérique – le réseau de neurones qui régit la fonction intestinale – sans chirurgie.
Bien que l'optogénétique soit utilisée pour la recherche sur le cerveau depuis le début des années 2000, cela marque la première plate-forme non invasive pour la stimulation optique sans fil de l'intestin, ouvrant de nouvelles possibilités de cartographie des circuits neuronaux qui étaient auparavant inaccessibles aux chercheurs.
ICOPS représente le dernier portefeuille de technologies ingérables de Ramadi, qui comprend Flash, une capsule qui utilise la stimulation électrique pour activer les neurones intestinaux et l'imagme, un dispositif magnétique basé sur le terrain pour suivre l'emplacement de la pilule dans l'intestin. Bien que ces autres appareils aient montré que l'activation neurale peut entraîner des changements hormonaux affectant le métabolisme, les ICOPS ajoutent un contrôle optogénétique pour une plus grande précision.
Une innovation clé est que ICOPS fonctionne sans batterie, à la place de la puissance sans fil par l'induction magnétique à partir d'un émetteur externe. Cette conception sans batterie était nécessaire pour que l'appareil soit suffisamment petit pour les tests chez le rat.
« Ce qui rend cette capsule unique, c'est qu'elle a été entièrement fabriquée en interne en utilisant l'impression 3D, sans avoir besoin d'installations en salle blanche », a déclaré Mohamed Elsherif, associé postdoctoral au laboratoire de Ramadi et auteur principal du journal. « Cela nous a permis d'intégrer des micro-LED et des bobines personnalisées de manière évolutive, ce qui en fait la première capsule ingérable à l'échelle des rongeurs pour une stimulation optique non invasive. Il peut fonctionner de manière importante avec des animaux en mouvement libre, permettant des études qui n'étaient pas possibles avec des approches traditionnelles attachées ou invasives. »
Les implications s'étendent au-delà de la recherche. La technologie pourrait conduire à de nouveaux traitements pour les troubles de la motilité intestinale. « Nous n'avons pas vraiment de très bons agents prokinétiques ou antikinétiques », a déclaré Ramadi, se référant à des médicaments qui accélèrent ou ralentissent le mouvement intestinal. « Nous avons des choses qui ralentissent ou accélèrent globalement la motilité, mais pas ciblées. »
L'activation neurale dans des régions intestinales spécifiques peut également déclencher des changements hormonaux affectant le métabolisme, offrant potentiellement de nouvelles approches pour traiter les maladies métaboliques et les troubles de l'alimentation.
Les appareils traversent naturellement le système digestif sur un à deux jours. Au-delà de la luminothérapie, la plate-forme pourrait permettre la stimulation électrique et l'administration ciblée de médicaments. Bien que les applications cliniques restent probablement dans une décennie, la recherche représente une étape importante vers la compréhension des réseaux de neurones complexes de l'intestin.
En plus de Ramadi et Elsherif, les auteurs du journal sont Rawan Badr El-Din, Zhansaya Makhambetova, Heba Naser, Rahul Singh, Keonghwan OH et Revathi Sukesan de la division d'ingénierie de Nyuad; Maylis Boitet des opérations de plateformes technologiques de base de Nyuad; et Sohmyung Ha de la division d'ingénierie de Nyuad et Nyu Tandon.
