Ingenieure am MIT und Caltech haben einen einnehmbaren Sensor demonstriert, dessen Position überwacht werden kann, während er sich durch den Verdauungstrakt bewegt, ein Fortschritt, der Ärzten helfen könnte, gastrointestinale Motilitätsstörungen wie Verstopfung, gastroösophageale Refluxkrankheit und Gastroparese leichter zu diagnostizieren.
Der winzige Sensor erkennt ein Magnetfeld, das von einer außerhalb des Körpers befindlichen elektromagnetischen Spule erzeugt wird. Die Stärke des Felds variiert mit dem Abstand von der Spule, sodass die Position des Sensors auf der Grundlage seiner Messung des Magnetfelds berechnet werden kann.
In der neuen Studie zeigten die Forscher, dass sie diese Technologie nutzen könnten, um den Sensor zu verfolgen, während er sich durch den Verdauungstrakt großer Tiere bewegt. Ein solches Gerät könnte eine Alternative zu invasiveren Verfahren wie der Endoskopie bieten, die derzeit zur Diagnose von Motilitätsstörungen eingesetzt werden.
„Viele Menschen auf der ganzen Welt leiden unter GI-Dysmotilität oder schlechter Beweglichkeit, und die Möglichkeit, die GI-Motilität zu überwachen, ohne in ein Krankenhaus gehen zu müssen, ist wichtig, um wirklich zu verstehen, was mit einem Patienten passiert“, sagt Giovanni Traverso, der Karl van Tassel Karriereentwicklung Assistenzprofessor für Maschinenbau am MIT und Gastroenterologe am Brigham and Women’s Hospital.
Traverso ist einer der leitenden Autoren der neuen Studie, zusammen mit Azita Emami, Professorin für Elektrotechnik und Medizintechnik am Caltech, und Mikhail Shapiro, Professor für Chemieingenieurwesen am Caltech und Forscher am Howard Hughes Medical Institute. Saransh Sharma, eine Doktorandin am Caltech, und Khalil Ramadi, ein ehemaliger MIT-Doktorand und Postdoc, der jetzt Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen an der New York University ist, sind die Hauptautoren des Papiers, das heute in erscheint Natur-Elektronik.
Ein Magnetsensor
GI-Motilitätsstörungen, von denen etwa 35 Millionen Amerikaner betroffen sind, können in jedem Teil des Verdauungstrakts auftreten, was dazu führt, dass die Nahrung nicht durch den Trakt transportiert werden kann. Sie werden normalerweise mithilfe von nuklearen Bildgebungsstudien oder Röntgenaufnahmen diagnostiziert oder durch Einführen von Kathetern mit Druckwandlern, die Kontraktionen des GI-Trakts erfassen.
Die MIT- und Caltech-Forscher wollten eine Alternative finden, die weniger invasiv wäre und beim Patienten zu Hause durchgeführt werden könnte. Ihre Idee war es, eine Kapsel zu entwickeln, die geschluckt werden kann und dann ein Signal aussendet, das zeigt, wo sie sich im Magen-Darm-Trakt befindet, sodass Ärzte feststellen können, welcher Teil des Trakts eine Verlangsamung verursacht, und besser bestimmen können, wie der Zustand des Patienten zu behandeln ist.
Um dies zu erreichen, nutzten die Forscher die Tatsache, dass das von einer elektromagnetischen Spule erzeugte Feld auf vorhersagbare Weise schwächer wird, wenn der Abstand von der Spule zunimmt. Der von ihnen entwickelte Magnetsensor, der klein genug ist, um in eine einnehmbare Kapsel zu passen, misst das umgebende Magnetfeld und berechnet daraus seinen Abstand zu einer Spule, die sich außerhalb des Körpers befindet.
„Da der Magnetfeldgradient die räumlichen Positionen eindeutig kodiert, können diese kleinen Geräte so konstruiert werden, dass sie das Magnetfeld an ihren jeweiligen Orten erfassen können“, sagt Sharma. „Nachdem das Gerät das Feld gemessen hat, können wir zurückrechnen, wo sich das Gerät befindet.“
Um die Position eines Geräts im Körper genau zu lokalisieren, umfasst das System auch einen zweiten Sensor, der außerhalb des Körpers verbleibt und als Referenzpunkt dient. Dieser Sensor könnte auf die Haut geklebt werden, und durch den Vergleich der Position dieses Sensors mit der Position des Sensors im Körper können die Forscher genau berechnen, wo sich der einnehmbare Sensor im Magen-Darm-Trakt befindet.
Der einnehmbare Sensor enthält auch einen drahtlosen Sender, der die Magnetfeldmessung an einen Computer oder ein Smartphone in der Nähe sendet. Die aktuelle Version des Systems ist so konzipiert, dass es jedes Mal eine Messung durchführt, wenn es einen drahtlosen Auslöser von einem Smartphone empfängt, aber es kann auch so programmiert werden, dass Messungen in bestimmten Intervallen durchgeführt werden.
„Unser System kann die Lokalisierung mehrerer Geräte gleichzeitig unterstützen, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen. Es hat auch ein großes Sichtfeld, was für Studien an Menschen und Großtieren von entscheidender Bedeutung ist“, sagt Emami.
Die aktuelle Version des Sensors kann ein Magnetfeld von elektromagnetischen Spulen innerhalb einer Entfernung von 60 Zentimetern oder weniger erkennen. Die Forscher stellen sich vor, dass die Spulen im Rucksack oder in der Jacke des Patienten oder sogar auf der Rückseite einer Toilette platziert werden könnten, sodass der einnehmbare Sensor Messungen vornehmen kann, wann immer er sich in Reichweite der Spulen befindet.
Standortverfolgung
Die Forscher testeten ihr neues System in einem großen Tiermodell, platzierten die einnehmbare Kapsel im Magen und überwachten dann ihre Position, während sie sich über mehrere Tage durch den Verdauungstrakt bewegte.
In ihrem ersten Experiment lieferten die Forscher zwei magnetische Sensoren, die durch einen kleinen Stab aneinander befestigt waren, damit sie den genauen Abstand zwischen ihnen kannten. Dann verglichen sie ihre Magnetfeldmessungen mit dieser bekannten Entfernung und stellten fest, dass die Messungen auf eine Auflösung von etwa 2 Millimeter genau waren – viel höher als die Auflösung zuvor entwickelter magnetfeldbasierter Sensoren.
Als nächstes führten die Forscher Tests mit einem einzelnen einnehmbaren Sensor zusammen mit einem externen Sensor durch, der an der Haut befestigt war. Durch Messen des Abstands von jedem Sensor zu den Spulen zeigten die Forscher, dass sie den aufgenommenen Sensor verfolgen konnten, während er sich vom Magen zum Dickdarm bewegte und dann ausgeschieden wurde. Die Forscher verglichen die Genauigkeit ihrer Strategie mit Röntgenmessungen und stellten fest, dass sie innerhalb von 5 bis 10 Millimetern genau waren.
„Die Verwendung eines externen Referenzsensors hilft, das Problem zu berücksichtigen, dass jedes Mal, wenn sich ein Tier oder ein Mensch neben den Spulen befindet, die Wahrscheinlichkeit besteht, dass sie sich nicht in genau derselben Position wie beim vorherigen Mal befinden Mit Röntgenbildern als Grundwahrheit ist es schwierig, genau zu bestimmen, wo sich diese Pille befindet, es sei denn, Sie haben eine konsistente Referenz, die sich immer an derselben Stelle befindet“, sagt Ramadi.
Diese Art der Überwachung könnte es den Ärzten viel einfacher machen, herauszufinden, welcher Abschnitt des Magen-Darm-Trakts eine Verlangsamung der Verdauung verursacht, sagen die Forscher. „Die Fähigkeit, die Beweglichkeit ohne die Notwendigkeit einer Bestrahlung oder einer invasiveren Platzierung von Geräten zu charakterisieren, wird meiner Meinung nach die Barriere für die Bewertung von Menschen senken“, sagt Traverso.
Die Forscher hoffen nun, mit Partnern zusammenzuarbeiten, um Herstellungsverfahren für das System zu entwickeln und seine Leistung an Tieren weiter zu charakterisieren, in der Hoffnung, es schließlich in klinischen Studien am Menschen testen zu können.
Die Forschung wurde von der National Science Foundation, der Rothenberg Innovation Initiative und dem Heritage Medical Research Institute finanziert.