Il sensore invia la sua posizione mentre si muove attraverso il tratto gastrointestinale, rivelando dove possono verificarsi rallentamenti nella digestione
La localizzazione e il monitoraggio dei microdispositivi ingeribili nel tratto gastrointestinale (GI) è prezioso per la diagnosi e il trattamento dei disturbi gastrointestinali. Tali sistemi richiedono un ampio campo visivo di tracciamento, un'elevata risoluzione spaziotemporale, microdispositivi gestiti in modalità wireless e un generatore di campo non ostruttivo che sia sicuro da utilizzare in contesti pratici. Tuttavia, le capacità dei sistemi attuali rimangono limitate.
Gli ingegneri del MIT e del Caltech hanno dimostrato un sensore ingeribile la cui posizione può essere monitorata mentre si muove attraverso il tratto digestivo, un progresso che potrebbe aiutare i medici a diagnosticare più facilmente disturbi della motilità gastrointestinale come costipazione, malattia da reflusso gastroesofageo e gastroparesi.
Il minuscolo sensore funziona rilevando un campo magnetico prodotto da una bobina elettromagnetica situata all'esterno del corpo. L'intensità del campo varia con la distanza dalla bobina, quindi la posizione del sensore può essere calcolata in base alla sua misurazione del campo magnetico.
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato di poter utilizzare questa tecnologia per tracciare il sensore mentre si muoveva attraverso il tratto digestivo di animali di grandi dimensioni. Tale dispositivo potrebbe offrire un'alternativa a procedure più invasive, come l'endoscopia, attualmente utilizzate per diagnosticare i disturbi della motilità.
«Molte persone in tutto il mondo soffrono di dismotilità gastrointestinale o scarsa motilità e avere la possibilità di monitorare la motilità gastrointestinale senza dover andare in ospedale è importante per capire davvero cosa sta succedendo a un paziente», afferma Giovanni Traverso (1), professore associato di ingegneria meccanica al MIT e gastroenterologo al Brigham and Women's Hospital.
Il dottor Traverso è uno degli autori senior del nuovo studio, insieme alla dottoressa Azita Emami (2), professoressa di ingegneria elettrica e ingegneria medica al Caltech, e il dottor Mikhail G. Shapiro (3), professore di ingegneria chimica al Caltech e ricercatore dell'Howard Hughes Medical Institute. Il dottor Saransh Sharma (4), uno studente laureato al Caltech, e Khalil Ramadi SM '16, PhD '19 (5), laureato al Dipartimento di ingegneria meccanica e al programma Harvard-MIT in Scienze e tecnologia della salute, che ora è assistente professore di bioingegneria alla New York University, sono gli autori principali dell'articolo, pubblicato su Nature Electronics. (6)
Un sensore magnetico
I disturbi della motilità gastrointestinale, che colpiscono circa 35 milioni di americani, possono verificarsi in qualsiasi parte del tratto digestivo, con conseguente incapacità del cibo di muoversi attraverso il tratto. Di solito vengono diagnosticati utilizzando studi di imaging nucleare o raggi X o inserendo cateteri contenenti trasduttori di pressione che rilevano le contrazioni del tratto gastrointestinale.
I ricercatori del MIT e del Caltech volevano trovare un'alternativa che fosse meno invasiva e potesse essere eseguita a casa del paziente. La loro idea era quella di sviluppare una capsula che potesse essere inghiottita e quindi inviare un segnale che rivelasse dove si trovava nel tratto gastrointestinale, consentendo ai medici di determinare quale parte del tratto stava causando un rallentamento e determinare meglio come trattare le condizioni del paziente.
Per ottenere ciò, i ricercatori hanno approfittato del fatto che il campo prodotto da una bobina elettromagnetica diventa più debole, in modo prevedibile, all'aumentare della distanza dalla bobina. Il sensore magnetico che hanno sviluppato, che è abbastanza piccolo da stare in una capsula ingeribile, misura il campo magnetico circostante e utilizza tali informazioni per calcolare la sua distanza da una bobina situata all'esterno del corpo.
«Poiché il gradiente del campo magnetico codifica in modo univoco le posizioni spaziali, questi piccoli dispositivi possono essere progettati in modo da poter percepire il campo magnetico nelle rispettive posizioni», afferma il dottor Sharma. «Dopo che il dispositivo ha misurato il campo, possiamo calcolare a ritroso qual è la posizione del dispositivo».
Per individuare con precisione la posizione di un dispositivo all'interno del corpo, il sistema include anche un secondo sensore che rimane all'esterno del corpo e funge da punto di riferimento. Questo sensore potrebbe essere attaccato alla pelle e, confrontando la posizione di questo sensore con la posizione del sensore all'interno del corpo, i ricercatori possono calcolare con precisione dove si trova il sensore ingeribile nel tratto gastrointestinale.
Il sensore ingeribile include anche un trasmettitore wireless che invia la misurazione del campo magnetico a un computer o smartphone nelle vicinanze. La versione attuale del sistema è progettata per effettuare una misurazione ogni volta che riceve un trigger wireless da uno smartphone, ma può anche essere programmata per effettuare misurazioni a intervalli specifici.
«Il nostro sistema può supportare la localizzazione di più dispositivi contemporaneamente senza comprometterne la precisione. Ha anche un ampio campo visivo, che è fondamentale per gli studi sull'uomo e sui grandi animali», afferma la dottoressa Emami.
L'attuale versione del sensore può rilevare un campo magnetico da bobine elettromagnetiche entro una distanza di 60 centimetri o meno. I ricercatori prevedono che le bobine possano essere collocate nello zaino o nella giacca del paziente, o anche sul retro di una toilette, consentendo al sensore ingeribile di effettuare misurazioni ogni volta che si trova nel raggio delle bobine.
Tracciamento della posizione
I ricercatori hanno testato il loro nuovo sistema in un modello animale di grandi dimensioni, posizionando la capsula ingeribile nello stomaco e quindi monitorandone la posizione mentre si muoveva attraverso il tratto digestivo per diversi giorni.
Nel loro primo esperimento, i ricercatori hanno fornito due sensori magnetici collegati l'uno all'altro da una piccola asta, in modo da conoscere l'esatta distanza tra loro. Quindi, hanno confrontato le loro misurazioni del campo magnetico con questa distanza nota e hanno scoperto che le misurazioni erano accurate con una risoluzione di circa 2 millimetri, molto più alta della risoluzione dei sensori basati sul campo magnetico sviluppati in precedenza.
Successivamente, i ricercatori hanno eseguito test utilizzando un singolo sensore ingeribile insieme a un sensore esterno attaccato alla pelle. Misurando la distanza tra ciascun sensore e le bobine, i ricercatori hanno dimostrato di poter tracciare il sensore ingerito mentre si spostava dallo stomaco al colon e poi veniva espulso. I ricercatori hanno confrontato l'accuratezza della loro strategia con le misurazioni effettuate dai raggi X e hanno scoperto che erano accurate entro 5-10 millimetri.
«L'utilizzo di un sensore di riferimento esterno aiuta a spiegare il problema che ogni volta che un animale o un essere umano si trova accanto alle bobine, è probabile che non si trovino esattamente nella stessa posizione della volta precedente. In assenza di raggi X come verità fondamentale, è difficile mappare esattamente dove si trova questa pillola, a meno che non si disponga di un riferimento coerente che si trova sempre nella stessa posizione», afferma Ramadi.
Questo tipo di monitoraggio potrebbe rendere molto più facile per i medici capire quale sezione del tratto gastrointestinale sta causando un rallentamento della digestione, affermano i ricercatori. «La capacità di caratterizzare la motilità senza la necessità di radiazioni, o il posizionamento più invasivo di dispositivi, faciliterà la valutazione delle persone», afferma Traverso.
I ricercatori ora sperano di lavorare con i collaboratori per sviluppare processi di produzione per il sistema e caratterizzare ulteriormente le sue prestazioni negli animali, nella speranza di testarlo infine in studi clinici sull'uomo.
La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation, dalla Rothenberg Innovation Initiative e dall'Heritage Medical Research Institute.
Riferimenti:
(2) Azita Emami
(4) Saransh Sharma
(5) Khalil Ramadi
(6) Location-aware ingestible microdevices for wireless monitoring of gastrointestinal dynamics
Descrizione foto: Gli ingegneri del MIT hanno dimostrato di poter utilizzare i campi magnetici per tracciare la posizione di questo sensore ingeribile all'interno del tratto gastrointestinale. Il sensore potrebbe essere utilizzato per monitorare i disturbi della motilità gastrointestinale come la stitichezza o la malattia da reflusso gastroesofageo. - Credit: per gentile concessione dei ricercatori.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Ingestible sensor could help doctors pinpoint GI difficulties