LABORATORIO DE URGENCIAS

Cápsula inteligente para muestreo y estudio no invasivo del microbioma gastrointestinal

                     
                                                                                  Jose F.Waimin; Sina Nejati; Hongiie Jiang; Jake Qiu; et al

School of Materials Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana and Birck Nanotechnology Center, Purdue University, West Lafayette. - USA

                                                                                                                  RSC Advances; 28; 2020

Durante la última década, ha habido un enorme aumento en la investigación centrada en el microbioma humano. Los hallazgos de esta investigación han tenido un profundo impacto en nuestra comprensión de los vastos y diversos microorganismos que se encuentran en el intestino humano y el papel vital que desempeñan en la fisiopatología que domina la salud humana. Muchos de estos estudios han identificado los efectos de la microbiota intestinal en el metabolismo humano, la absorción de nutrientes, la eficacia de las terapias administradas por vía oral y la funcionalidad de los sistemas inmunológico y neuronal. Por ejemplo, varios estudios han encontrado correlaciones entre el desequilibrio de la microbiota (disbiosis) y diversas enfermedades como la diabetes, la obesidad y el síndrome metabólico.Enfermedades que afectan aproximadamente a 30 millones de personas en EE.UU.
De manera similar, nuevos conocimientos sobre las posibles formas en que las bacterias intestinales pueden influir en el desarrollo y mantenimiento del sistema nervioso sugieren un vínculo entre la composición del microbioma intestinal y la regulación de los trastornos psiconeurológicos, incluida la ansiedad, la depresión y la disbiosis en el autismo.
Además, los estudios también han demostrado que la presencia de especies bacterianas específicas puede alterar el metabolismo de ciertos fármacos, como los agentes quimioterapéuticos y los fármacos antivirales. La biotransformación de ciertos fármacos no sólo puede causar toxicidades relacionadas con los fármacos, sino que también puede proporcionar un mecanismo mediante el cual los desarrolladores de fármacos podrían explotar la microbiota del huésped para crear una administración de fármacos más específica del sitio. Por lo tanto, el muestreo del microbioma humano es esencial para comprender los mecanismos de las interacciones entre la microbiota y los medicamentos, así como el grado en que esta compleja interacción puede afectar la eficacia y la biodisponibilidad de los medicamentos.

Gran parte de lo que se sabe sobre la estructura y función del microbioma intestinal humano se ha determinado a partir del cultivo ex situ y/o la secuenciación de bacterias a partir de muestras fecales. De hecho, dado que sólo una pequeña fracción de las bacterias intestinales está disponible y es cultivable a partir de muestras fecales, se han realizado importantes esfuerzos para utilizar herramientas que permitan el muestreo directo de microorganismos de todo el tracto gastrointestinal.

Sin embargo, el muestreo directo del tracto gastrointestinal presenta numerosos desafíos debido a su gran longitud (9 m) y alteraciones del diámetro. Si bien actualmente se utilizan diferentes métodos de muestreo para colonoscopia y gastroscopia, se limitan al muestreo en ciertas secciones del tracto gastrointestinal y son enfoques invasivos que causan incomodidad al paciente y pueden conducir a un menor cumplimiento. Como enfoque alternativo, las cápsulas funcionales inteligentes con la capacidad de recolectar muestras en diferentes lugares específicos de todo el tracto gastrointestinal pueden abordar varias limitaciones asociadas con la colonoscopia y la gastroscopia convencionales. Además, los dispositivos basados en cápsulas pueden mejorar la comodidad del paciente, sin necesidad de administrarlos en entornos clínicos. Quizás una de las cápsulas inteligentes más conocidas utilizadas para el diagnóstico y tratamiento en el campo de los trastornos gastrointestinales sea la tecnología de cápsula endoscópica (CE) PillCam™. Se utiliza ampliamente como estándar de oro para recopilar imágenes de áreas de difícil acceso en todo el tracto gastrointestinal. Se estima que se han utilizado más de 2 millones de CE en los últimos 15 años para diagnosticar enfermedades relacionadas con el intestino delgado, como hemorragia gastrointestinal oscura, tumores, enfermedad de Crohn, angiodisplasia, enfermedad celíaca y poliposis.

Por tanto, el muestreo de microbiomas es un enfoque fundamental para una mejor comprensión de posibles enfermedades. Sin embargo, los métodos de muestreo convencionales, como las endoscopias o las colonoscopias, son invasivos y no pueden llegar a todo el intestino delgado. Para abordar esta necesidad, se diseñó una cápsula de muestreo impresa en 3D sin batería, que puede recolectar muestras de microbioma en todo el tracto gastrointestinal. La cápsula (9 mm × 15 mm) consta de una carcasa acrílica impresa en 3D, un hidrogel de rápida absorción y una membrana PDMS flexible. Los fluidos que contienen muestras de la flora microbiana dentro del tracto gastrointestinal ingresan al dispositivo a través de una abertura de muestreo en la tapa del dispositivo. Una vez que el microbioma ingresa a la carcasa, el hidrogel absorbe el fluido y se hincha, protegiendo efectivamente las muestras dentro de su matriz polimérica, al mismo tiempo que empuja la membrana flexible PDMS para bloquear la abertura de muestreo para evitar un mayor intercambio de fluido. La cápsula recuperada se puede desmontar fácilmente gracias al diseño de tapa de rosca de la cápsula y el hidrogel se puede retirar para realizar más cultivos y análisis bacterianos. Como prueba de concepto, la eficiencia del muestreo bacteriano de la cápsula y la capacidad de albergar muestras microbianas dentro del hidrogel en una cápsula sellada se validaron utilizando un cultivo líquido que contenía Escherichia coli.

Este estudio describe el uso de una cápsula impresa en 3D, un hidrogel superabsorbente y una membrana PDMS como dispositivo de muestreo para regiones del intestino delgado que de otro modo serían inaccesibles. El dispositivo es capaz de tomar muestras de bacterias que se encuentran dentro del tracto gastrointestinal aprovechando el potencial de absorción y las propiedades mecánicas óptimas del hidrogel. Al modificar la superficie mediante un tratamiento con plasma + PEG, se aumentó la energía superficial del material que rodea la apertura de muestreo para permitir un flujo estable y eficaz de fluido desde el intestino hacia la cápsula. Los perfiles de hinchazón para diferentes proporciones AA/AM mostraron que el uso de 10 % AA/90 % AM da como resultado la hinchazón más óptima, absorbiendo el doble de su peso seco dentro de la ventana activa de la cápsula.
Las caracterizaciones del perfil de fuerza e hinchazón de diferentes hidrogeles mostraron que las proporciones de 10% AA/90% AM dieron como resultado los agentes de muestreo más adecuados para recolectar fluidos del tracto gastrointestinal y sellar eficazmente el dispositivo dentro de la ventana de muestreo de 1 hora de la cápsula activada. Las pruebas de cultivo bacteriano demostraron aún más la eficacia del sello de la cápsula para proteger las muestras dentro del hidrogel y al mismo tiempo mostraron la capacidad del hidrogel para sostener muestras microbianas a lo largo del tiempo.
Los cultivos de hidrogeles dentro de cápsulas selladas mostraron cantidades significativamente mayores de UFC ml-1 en comparación con los hidrogeles desnudos, incluso cuando se expusieron a condiciones extremadamente duras. El blanqueador, el agente antimicrobiano más potente probado, erradicó por completo las bacterias dentro del hidrogel desnudo, mientras que la cápsula sellada pudo proteger las bacterias recolectadas produciendo concentraciones del orden de 107 UFC ml-1.

El trabajo adicional debería centrarse en el desarrollo de una variedad de recubrimientos biodegradables que puedan permitir el muestreo en lugares objetivo, así como pruebas in vivo utilizando modelos animales.

La tecnología demostrada proporciona una herramienta prometedora y económica para el muestreo directo y la evaluación de microbios en todo el tracto gastrointestinal y puede permitir nuevos conocimientos sobre el papel de la dieta en la mediación de las interacciones y el metabolismo huésped-microbio.