Des chercheurs en ingénierie ont mis au point un système de biodétection ingérable sans pile, en forme de pilule, conçu pour assurer une surveillance continue de l’environnement intestinal. Il donne aux scientifiques la possibilité de surveiller les métabolites intestinaux en temps réel, ce qui n’était pas possible auparavant. Cet exploit d’intégration technologique pourrait débloquer une nouvelle compréhension de la composition des métabolites intestinaux, qui a un impact significatif sur la santé humaine en général.
Les travaux, menés par des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego, paraissent dans le numéro de décembre de la revue Communication Nature.
Le capteur ingérable, piloté par le 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 constituent 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, etc.
Dans nos expériences, la technologie de biocapteur sans pile surveillait en continu 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. Notre prochaine étape consiste à réduire la taille des pilules par rapport à la longueur actuelle de 2,6 cm afin qu’elles soient plus faciles à avaler pour les sujets humains. »
Ernesto De La Paz Andres, étudiant diplômé en nanoingénierie à l’UC San Diego et l’un des co-premiers auteurs de l’article
Les méthodes plus anciennes 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 uniques d’un environnement qui change continuellement. En revanche, ce biocapteur donne accès à des lectures de données continues dans le 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 importantes à l’avenir.
« Actuellement, la façon de prélever du liquide dans l’estomac et les intestins est de faire une endoscopie, où un cathéter est inséré dans votre gorge et dans votre tube digestif 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 nano-ingénierie Joseph Wang. Wang et Mercier co-dirigent le 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 du professeur de nano-ingénierie de l’UC San Diego, Joseph Wang, nous avons l’opportunité de créer de nouvelles modalités de compréhension. ce qui se passe dans l’intestin grêle », a déclaré Mercier.
Au lieu d’une pile, cette « pilule intelligente » est alimentée par une pile à combustible non toxique qui fonctionne au glucose.
« Grâce à notre approche de pilule intelligente sans pile, nous avons la possibilité de surveiller l’intestin grêle pendant bien 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 différents sur de plus longues périodes. Nous travaillons pour montrer qu’il y a tellement opportunité de découvrir ce qui se passe réellement dans l’intestin grêle. J’espère que ce type d’informations sera utile pour mieux comprendre le rôle que jouent les changements dans l’environnement de l’intestin grêle sur 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 leur vie. Ceux-ci peuvent inclure les maladies inflammatoires de l’intestin (MICI), 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 d’accès aux informations des sections pertinentes du tractus gastro-intestinal sont assez élevés.
Cependant, le développement de capteurs ingérables tels que le nouveau système de pilules intelligentes 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 qui n’a pas besoin de piles », a déclaré Wang.
Pour répondre à ces spécifications, l’équipe a opté pour un biocapteur de biocarburant à 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 biocarburant à glucose (BFC) de l’équipe pour obtenir de l’énergie pendant le fonctionnement tout en mesurant simultanément les concentrations changeantes de glucose. Son système de communication magnétique du 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 », explique Mercier. « Faire fonctionner tout cela avec une électronique ultra-basse consommation et avec une pile à biocarburant à glucose stable mais petite étaient des défis techniques majeurs qui ont été relevés 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 de l’intestin grêle n’a été effectué que chez les porcs, qui ont un tractus gastro-intestinal de taille similaire à celui des humains.
Prochaines étapes
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 nano-ingénierie de l’UC San Diego Jacobs School of Engineering; le centre UC San Diego pour les capteurs portables ; le Centre d’innovation du microbiome de l’UC San Diego ; la division de gastroentérologie de l’UC San Diego Health ; et le système de santé VA San Diego.
