Инженеры Массачусетского технологического института теперь показали, что они могут стимулировать эти эндокринные клетки к выработке грелина, используя проглатываемую капсулу, которая подает электрический ток к клеткам. Этот подход может оказаться полезным для лечения заболеваний, которые сопровождаются тошнотой или потерей аппетита, таких как кахексия (потеря массы тела, которая может наблюдаться у пациентов с раком или другими хроническими заболеваниями).

В ходе испытаний на животных исследователи показали, что эта "электроцевтическая" капсула может значительно увеличить выработку грелина в желудке. Они полагают, что этот подход также может быть адаптирован для проведения электрической стимуляции других отделов желудочно-кишечного тракта.

"Это исследование помогает установить, что электростимуляция с помощью проглатываемых электроцевтиков является способом запуска высвобождения гормонов через желудочно-кишечный тракт", - говорит Джованни Траверсо, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института, гастроэнтеролог из Бригама и женской больницы и старший автор исследования. "Мы показываем один пример того, как мы можем взаимодействовать со слизистой оболочкой желудка и выделять гормоны, и мы ожидаем, что это может быть использовано в других участках желудочно-кишечного тракта, которые мы здесь не исследовали".

Халил Рамади, 16 лет, доктор философии, 19 лет, выпускник факультета машиностроения и программы Гарвард-Массачусетского технологического института в области медицинских наук и технологий, который в настоящее время является доцентом биоинженерии в инженерной школе Тандон Нью-Йоркского университета и директором лаборатории передовой нейроинженерии и трансляционной медицины в Нью-Йоркском университете Абу-Даби., и Джеймс Макрей, аспирант Массачусетского технологического института, являются ведущими авторами статьи, которая появилась сегодня в Научная робототехника.

Электрическая стимуляция

Кишечная нервная система контролирует все аспекты пищеварения, включая перемещение пищи по желудочно-кишечному тракту. У некоторых пациентов с гастропарезом, расстройством желудочных нервов, которое приводит к очень медленному перемещению пищи, наблюдалось улучшение симптомов после электрической стимуляции, создаваемой устройством, похожим на кардиостимулятор, которое может быть хирургически имплантировано в желудок.

Врачи предположили, что электрическая стимуляция спровоцирует сокращение желудка, что поможет протолкнуть пищу дальше. Однако позже было обнаружено, что, хотя лечение действительно помогает пациентам чувствовать себя лучше, оно в меньшей степени влияет на моторику. Команда Массачусетского технологического института выдвинула гипотезу, что электрическая стимуляция желудка может приводить к высвобождению грелина, который, как известно, усиливает чувство голода и уменьшает чувство тошноты.

Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи использовали электрический зонд для проведения электрической стимуляции желудков животных. Они обнаружили, что после 20 минут стимуляции уровень грелина в крови значительно повышался. Они также обнаружили, что электрическая стимуляция не приводила к какому-либо значительному воспалению или другим побочным эффектам.

Как только они установили, что электрическая стимуляция провоцирует высвобождение грелина, исследователи решили посмотреть, смогут ли они добиться того же с помощью устройства, которое можно проглотить и временно поместить в желудок. Одной из главных проблем при разработке такого устройства является обеспечение того, чтобы электроды на капсуле могли контактировать с тканями желудка, которые покрыты жидкостью.

Чтобы создать более сухую поверхность, с которой электроды могли бы взаимодействовать, исследователи придали своей капсуле рифленую поверхность, отводящую жидкость от электродов. Поверхность, которую они разработали, вдохновлена кожей австралийской ящерицы "колючий дьявол", которая использует ребристую чешую для сбора воды. Когда ящерица прикасается к воде любой частью своей кожи, вода капиллярно транспортируется по каналам ко рту ящерицы.

"Это вдохновило нас на создание текстур поверхности и узоров снаружи этой капсулы", - говорит Макрей. "Эта поверхность может управлять жидкостью, которая потенциально может препятствовать соприкосновению электродов с тканями желудка, поэтому она может надежно обеспечивать электрическую стимуляцию".

Поверхность капсулы состоит из канавок с гидрофильным покрытием. Эти бороздки функционируют как каналы, которые отводят жидкость из тканей желудка. Внутри устройства находится электроника, работающая на батарейках, которая вырабатывает электрический ток, который протекает по электродам на поверхности капсулы. По словам исследователей, в прототипе, использованном в этом исследовании, ток подается постоянно, но будущие версии могут быть сконструированы таким образом, чтобы ток можно было включать и выключать по беспроводной сети.

Повышение уровня гормонов

Исследователи протестировали свою капсулу, введя ее в желудки крупных животных, и обнаружили, что капсула вызывает значительный скачок уровня грелина в крови.

"Насколько нам известно, это первый пример использования электрических стимулов через проглатываемое устройство для повышения уровня эндогенных гормонов в организме, таких как грелин. Таким образом, это приводит к использованию собственных систем организма, а не к введению внешних агентов", - говорит Рамади.

Исследователи обнаружили, что для того, чтобы эта стимуляция сработала, блуждающий нерв, который контролирует пищеварение, должен быть неповрежденным. Они предполагают, что электрические импульсы передаются в мозг по блуждающему нерву, который затем стимулирует эндокринные клетки желудка вырабатывать грелин.

Лаборатория Траверсо теперь планирует изучить возможность использования этого подхода в других отделах желудочно-кишечного тракта, и исследователи надеются протестировать устройство на пациентах-людях в течение следующих трех лет. По словам исследователей, если этот тип лечения будет разработан для использования у людей, он потенциально может заменить или дополнить некоторые из существующих препаратов, используемых для предотвращения тошноты и стимуляции аппетита у людей с кахексией или анорексией.

"Это относительно простое устройство, поэтому мы считаем, что это то, что мы можем внедрить в человека в относительно короткие сроки", - говорит Траверсо.

Исследование финансировалось при поддержке Института Коха (core). Грант Национального института рака, Национального института диабета, болезней органов пищеварения и почек, инженерного факультета Нью-Йоркского университета Абу-Даби, стипендии Национального научного фонда для аспирантов Novo Nordisk и факультета машиностроения Массачусетского технологического института.