Un capteur ingérable auto-alimenté ouvre de nouvelles voies à la recherche sur l’intestin

Des chercheurs en ingénierie ont mis au point un système de capteur ingérable, sans pile et en forme de pilule, conçu pour assurer une surveillance continue dans l’environnement intestinal. Il donne aux scientifiques la possibilité de surveiller les métabolites intestinaux en temps réel, ce qui n’était pas possible auparavant. Cette prouesse d’intégration technologique pourrait permettre de mieux comprendre la composition des métabolites intestinaux, qui a un impact important sur la santé humaine en général.

Ces travaux, menés par des ingénieurs de l’université de Californie à San Diego, sont publiés dans le numéro de décembre de la revue Nature Communications.

Le capteur ingérable, alimenté par des biocarburants, 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 du biocapteur sans batterie a permis de surveiller en continu les niveaux de glucose dans l’intestin grêle des porcs 14 heures après l’ingestion, en fournissant des mesures toutes les cinq secondes pendant deux à cinq heures », a déclaré Ernesto De La Paz Andres, étudiant diplômé en nano-ingénierie à l’UC San Diego et l’un des co-premiers auteurs de l’article. « Notre prochaine étape consiste à réduire la taille des pilules, qui mesurent actuellement 2,6 cm, afin qu’elles soient plus faciles à avaler pour les sujets humains. »

Les anciennes méthodes de surveillance directe de l’intérieur de l’intestin grêle peuvent entraîner une gêne importante pour les 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 relevés de données continus 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 permettre de réaliser d’importantes économies à l’avenir.

« Actuellement, pour prélever des échantillons de liquide à l’intérieur de l’estomac et des intestins, il faut procéder à une endoscopie, au cours de laquelle un médecin insère un cathéter dans la gorge et dans le tube digestif« , explique Patrick Mercier, professeur d’ingénierie électrique et informatique à l’université de San Diego, qui a dirigé l’équipe avec Joseph Wang, professeur de nano-ingénierie. Wang et Mercier codirigent le Center for Wearable Sensors de UC San Diego. « En combinant le circuit à très faible puissance et les technologies sans fil de mon laboratoire avec la pile à combustible alimentée par le glucose et la détection électrochimique de pointe du laboratoire de Joseph Wang, professeur de nano-ingénierie à UC San Diego, nous avons la possibilité de créer de nouvelles modalités pour comprendre ce qui se passe dans l’intestin grêle« , a déclaré Mercier.

Au lieu d’une batterie, cette « pilule intelligente » est alimentée par une pile à combustible non toxique qui fonctionne au glucose.

« Avec notre approche de pilule intelligente sans batterie, nous avons la possibilité de surveiller l’intestin grêle pendant beaucoup plus longtemps qu’un simple instant« , a déclaré Wang. « Nous prévoyons également d’ajouter des capteurs supplémentaires au système. Notre objectif est de développer une plateforme de détection pour l’intestin qui permette de recueillir de nombreux types d’informations différentes sur de longues périodes. Nous voulons montrer qu’il existe de nombreuses possibilités de découvrir ce qui se passe réellement dans l’intestin grêle. J’espère que ce type d’information sera utile pour mieux comprendre le rôle que les changements dans l’environnement de l’intestin grêle jouent dans 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. Il peut s’agir de maladies inflammatoires de l’intestin (MICI), de diabète ou d’obésité, tous causés, en partie, par le dysfonctionnement des processus intestinaux impliquant l’absorption ou la digestion de métabolites intestinaux. Ces maladies représentent un coût important pour l’économie et une pression sur les systèmes de santé. Par conséquent, les enjeux de l’accès aux informations provenant des sections pertinentes du tractus gastro-intestinal sont assez élevés.

Toutefois, la mise au point de capteurs ingérables, tels que le nouveau système de pilules intelligentes mis au point par l’UC San Diego, se heurte à des difficultés considérables.

« Il s’est avéré difficile de créer un dispositif ingérable équipé des capteurs et de l’électronique nécessaires pour effectuer une lecture sans fil et ne nécessitant pas de piles« , a déclaré Wang.

Pour répondre à ces spécifications, l’équipe a mis au point un biocapteur de glucose autoalimenté intégré dans un circuit qui assure la collecte 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 cellule à biocarburant de glucose (BFC) de l’équipe, qui permet d’obtenir de l’énergie pendant le fonctionnement tout en mesurant simultanément les variations de concentration 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 le dispositif », a déclaré Mercier. « Faire en sorte que tout cela fonctionne avec une électronique à très faible puissance et avec une pile à biocarburant au glucose stable mais de petite taille étaient des défis techniques majeurs qui ont été relevés ici. »

La preuve de concept de la pilule intelligente 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 réalisé que chez le porc, dont le tube digestif est de taille similaire à celui de l’homme.

Prochaines étapes

Ayant 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 les adapter à ce qui est actuellement disponible sur le marché des pilules intelligentes.

« Étant donné que le tractus gastro-intestinal présente des changements dynamiques de pH, de température et de concentration d’oxygène, les travaux futurs envisagent l’intégration de modalités de détection supplémentaires pour tenir compte de ces différences« , a déclaré M. De La Paz Andres.

Ce projet est le fruit d’une collaboration inter-campus de l’UC San Diego, à laquelle participent des chercheurs du département d’ingénierie électrique et informatique et du département de nano-ingénierie de la Jacobs School of Engineering de l’UC San Diego, du UC San Diego Center for Wearable Sensors, du UC San Diego Center for Microbiome Innovation, de la division de gastro-entérologie de l’UC San Diego Health et du VA San Diego Healthcare System.

Outre De La Paz, Mercier et Wang, cette recherche a été coécrite par Nikhil Harsha Maganti, du département d’ingénierie électrique et informatique de l’UC San Diego, Alexander Trifonov, Itthipon Jeerapan, Kuldeep Mahato, Lu Yin, Thitaporn Sonsa-ard, Nicolas Ma et Won Jung, du département de nano-ingénierie de l’UC San Diego ; Ryan Burns, Département d’ingénierie électrique et informatique, UC San Diego ; et Amir Zarrinpar, Division de gastroentérologie et Centre d’innovation en microbiologie, UC San Diego et VA San Diego Healthcare System.

Légende
Des chercheurs de l’UC San Diego développent un système de capteurs ingérables auto-alimentés conçu pour surveiller les métabolites dans l’intestin grêle au fil du temps. Photo de David Ballot pour la Jacobs School of Engineering, UC San Diego.

Crédit
David Ballot pour la Jacobs School of Engineering, UC San Diego.