I ricercatori della Purdue University hanno sviluppato una capsula stampata in 3D in grado di campionare i batteri all’interno dello stomaco umano.

I RICERCATORI DELLA PURDUE UNIVERSITY STAMPANO IN 3D BATTERI CHE AFFERRANO CAPSULE PER COLONSCOPIA

Progettata per svolgere il ruolo di una colonscopia, la pillola stampata è in grado di catturare i batteri (noti come bioma), non solo nel colon, ma nell’intero tratto gastrointestinale. La tecnica “gut-oscopy” potrebbe essere impiegata insieme ai processi di colonscopia esistenti al fine di comprendere meglio le malattie intestinali.

“Se una colonscopia o una pillola fotografica vede il sangue, non può campionare quell’area per indagare ulteriormente”, ha detto Rahim Rahimi, assistente professore di ingegneria dei materiali a Purdue. “Potresti semplicemente campionare i batteri dalla materia fecale di una persona, ma i batteri possono variare molto in tutto il tratto gastrointestinale. Il nostro approccio potrebbe essere complementare. “

“SI TRATTA DI ESSERE IN GRADO DI PRELEVARE CAMPIONI DI BATTERI OVUNQUE NELL’INTESTINO. PRIMA ERA IMPOSSIBILE. “

Colonscopia e pillole stampate in 3D

Negli ultimi dieci anni, gli studi hanno identificato i collegamenti tra squilibri biologici (disbiosi) nello stomaco e malattie come il diabete, l’obesità e la sindrome metabolica. La presenza di specifiche specie batteriche può anche alterare il metabolismo di alcuni farmaci, come agenti chemioterapici e farmaci antivirali. Di conseguenza, il campionamento del microbioma è importante per comprendere le interazioni tra microbiota e farmaco e fornisce il potenziale per lo sviluppo della somministrazione di farmaci specifici per il paziente.

La maggior parte delle ricerche preesistenti è stata condotta utilizzando metodi di campionamento ex situ che si basano sulla raccolta di materia fecale. Poiché solo una frazione di batteri intestinali da campioni fecali è coltivabile, sono stati compiuti sforzi importanti per consentire il campionamento diretto di microrganismi dal tratto gastrointestinale. Il tratto stesso è lungo 9 metri e il suo diametro varia a seconda del paziente, quindi il campionamento diretto presenta molte sfide. Gli attuali metodi di colonscopia e gastroscopia sono limitati al campionamento in determinate sezioni e possono essere invasivi, causando la non conformità del paziente.

Le capsule funzionali intelligenti forniscono un approccio alternativo, prendendo i batteri da posizioni mirate lungo il tratto gastrointestinale. La tecnologia PillCam Capsule Endoscopy (CE) è già stata commercializzata ed è ampiamente utilizzata come alternativa non invasiva alle endoscopie tradizionali. Nonostante le capacità diagnostiche video della PillCam, manca ancora la capacità di raccogliere e conservare campioni all’interno della capsula. Sono state sviluppate anche capsule di campionamento a batteria, ma i malfunzionamenti hanno bloccato i dispositivi all’interno dei pazienti durante i test.

Il campionamento ad “attuazione passiva” offre un’opzione più compatta, più sicura ed economica. Nei modelli passivi, la capsula si muove attraverso il tratto gastrointestinale tramite movimento peristalsico, con una velocità media di 1–2 cm min -1 . I precedenti tentativi di creare capsule passive hanno variato nella forma. Uno studio multicentrico nel 2015, ha creato con successo una pillola passiva sotto forma di una spugna a rete compressa, ma questa è stata recuperata tramite un pezzo di corda, causando disagio al paziente.

La capsula dei ricercatori Purdue è stata progettata per fornire un metodo meno invasivo di monitoraggio delle malattie intestinali. GIF tramite Purdue University, Kapwing.
La capsula dei ricercatori Purdue è stata progettata per fornire un metodo meno invasivo di monitoraggio delle malattie intestinali. GIF tramite Purdue University, Kapwing.
Il nuovo design della capsula del team Purdue

Con un nuovo approccio, il team di Purdue ha creato una capsula che utilizza la proprietà di rigonfiamento di un idrogel altamente assorbente per raccogliere organismi biologici. Gli idrogel sono super assorbenti e possono assorbire fino a 150-300 volte il loro peso in condizioni acquose, rendendoli ideali per la conservazione dei batteri. Incorporare l’assorbenza degli idrogel nella pillola ha consentito al dispositivo di essere non invasivo e di penetrare in aree del tratto gastrointestinale precedentemente irraggiungibili.

Il tablet stesso è costituito da quattro componenti: un rivestimento enterico biodegradabile, un alloggiamento stampato in 3D, un idrogel di campionamento e una membrana PDMS permeabile ai gas. Utilizzando una stampante 3D Form 2, il team di ricerca ha fabbricato le pillole con un polimero fotoinduribile biocompatibile. Ciascuna capsula, che misurava 9 mm di diametro e 15 mm di lunghezza, conteneva l’idrogel di campionamento e la membrana spessa 1 mm.

In pratica, la pillola viene ingerita e il suo rivestimento enterico biodegradabile ne ritarda l’attivazione fino a quando non raggiunge la sua posizione target. Una volta lì, il rivestimento si dissolve, consentendo ai fluidi GI di riempire il dispositivo. Quando l’idrogel disidratato si espande all’interno della pillola, spinge la membrana PDMS sull’apertura della capsula, agendo per sigillare il dispositivo una volta pieno.

Testare l’efficacia della pillola Purdue

Per valutare le loro pillole di nuova concezione, il team ha condotto una serie di test di tenuta e campionamento in vitro dei batteri. Per valutare il meccanismo di tenuta del dispositivo, una capsula assemblata e un idrogel separato sono stati immersi separatamente in una soluzione di cloruro di sodio e acqua deionizzata per otto ore. È stato inoltre aggiunto colorante alimentare rosso, in modo da poter facilmente identificare il livello di assorbenza tra i due idrogel.

Riepilogo Le misurazioni della spettroscopia UV-visibile non hanno mostrato alcun mezzo fresco all’interno della capsula nel corso dell’esperimento. Il livello di assorbimento nella capsula sigillata e l’acqua deionizzata pura si sono dimostrati comparabili e sono rimasti stabili nel tempo. Di conseguenza, il test ha confermato che non è avvenuto alcuno scambio di fluidi tra l’idrogel all’interno della capsula sigillata e la soluzione di cloruro di sodio.

Per convalidare la capacità del dispositivo di campionare i batteri, i ricercatori hanno immerso le capsule in una soluzione di coltura per simulare l’ambiente gastrointestinale. Tre capsule completamente assemblate e una serie di campioni di idrogel nudo sono state immerse in tre diverse soluzioni per un’ora ciascuna. Le condizioni erano progettate per essere ostili ai batteri e per sfidare la sopravvivenza del bioma nella loro pillola stampata in 3D.

Le immagini SEM in sezione trasversale hanno successivamente confermato la presenza di batteri sulla superficie dell’idrogel e che E. coli è stato in grado di attaccarsi alla rete polimerica solida del gel. Ulteriori test hanno coinvolto l’uso di una combinazione di candeggina e antibiotico tobramicina, per simulare l’ambiente più difficile e plausibile. In tutte le condizioni, gli idrogel nudi avevano un numero inferiore di batteri vitali rispetto a quello estratto dall’interno delle capsule sigillate.

Sebbene siano stati mantenuti meno campioni di batteri vitali durante le valutazioni della candeggina, una quantità significativa è ancora sopravvissuta, a ulteriore dimostrazione che l’idrogel forniva un habitat nutriente. Il team di Purdue ritiene che il basso costo e il design semplice della pillola potrebbero consentire la sua diffusa applicazione futura in contesti clinici. Nel frattempo, i ricercatori si concentreranno sul targeting di posizioni di campioni specifici e sulla conduzione di test in vivo utilizzando modelli animali.

Precedente capsule stampate in 3D

Le pillole stampate in 3D rappresentano uno strumento importante per gli scienziati, in quanto forniscono un metodo non intrusivo per esaminare e influenzare l’interno del corpo umano.

Un progetto di ricerca guidato dalla Tufts University , ha anche stampato in 3D una capsula con l’obiettivo di campionare i batteri nell’intestino. La pillola si è dimostrata in grado di colpire spazialmente i microbiomi nel tratto intestinale degli animali.

Gli scienziati dell’University College di Londra (UCL) hanno scoperto una reazione chimica inaspettata durante la stampa 3D di pillole . Gli esperimenti hanno rivelato che il farmaco per la pressione del cuore Amlodipina non era rilevabile quando fabbricato con altri farmaci.

Un team della St. John’s University, New York , ha prodotto compresse stampate in 3D che potrebbero dissuadere i consumatori di oppioidi dall’abuso di farmaci. Le tavolette a forma di uovo, soprannominate “egglets”, sono state sviluppate per renderle deliberatamente difficili da prendere a scopo ricreativo.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro documento intitolato ” Capsula intelligente per il campionamento e lo studio non invasivo del microbioma gastrointestinale “, che è stato pubblicato sulla rivista RSC Advances. Il rapporto è stato scritto in collaborazione con Jose Fernando Waimin, Sina Nejati, Hongjie Jiang, Jake Qiu, Jianghsan Wang, Mohit S. Verma e Rahim Rahimi.

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