Gli ingegneri del MIT e del Caltech hanno sviluppato 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 alle procedure più invasive, come l’endoscopia, che sono 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, Karl van Tassel Career Development Assistant Professor di Ingegneria Meccanica al MIT e gastroenterologo al Brigham and Women’s Hospital.
Traverso è uno degli autori senior del nuovo studio, insieme ad Azita Emami, Professore di ingegneria elettrica e ingegneria medica al Caltech e Mikhail Shapiro, Professore di ingegneria chimica al Caltech e ricercatore dell’Howard Hughes Medical Institute. Saransh Sharma, uno studente laureato al Caltech e Khalil Ramadi, ex studente laureato del MIT e postdoc che ora è assistente Professore di bioingegneria alla New York University, sono gli autori principali dell’articolo, che appare oggi su Nature Electronics.
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 ingerita 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 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 è in grado di supportare la localizzazione di più dispositivi contemporaneamente senza comprometterne l’accuratezza. Dispone inoltre di un ampio campo visivo, fondamentale per gli studi sull’uomo e sugli animali di grandi dimensioni”, afferma Emami.
L’attuale versione del sensore può rilevare un campo magnetico da bobine elettromagnetiche entro una distanza di 60 centimetri o meno. I ricercatori immaginano 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.
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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.
“Questo tipo di monitoraggio potrebbe rendere molto più facile per i medici determinare quale sezione del tratto gastrointestinale sta causando un rallentamento della digestione”, affermano i ricercatori.
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.
Fonte:Nature Electronics
