3D-nyomtatott kapszula a gyomorban

A Purdue Egyetem kutatói kifejlesztettek egy 3D-nyomtatott kapszulát, amely képes mintát venni az emberi gyomorban található baktériumokból.

A kolonoszkópia szerepét betöltő nyomtatott pirula képes baktériumokat (biómákat – azaz baktérium-ökoszisztémákat) csapdába ejteni, nemcsak a vastagbélben, hanem a teljes gyomor-bélrendszerben. Ez a megoldás nemcsak az egyéni diagnosztika szempontjából lehet hasznos, de a meglévő kolonoszkópiás folyamatok mellett is alkalmazható a bélbetegségek jobb megértése érdekében.

Kolonoszkópia vs. 3D-nyomtatott tabletták

Az elmúlt évtizedben több tanulmány is összefüggést talált a gyomorban található biológiai egyensúlyhiány (disbiozis) és különböző betegségek, például a cukorbetegség, az elhízás és a metabolikus-szindróma (MS) között. A specifikus baktériumfajok jelenléte megváltoztathatja bizonyos gyógyszerek, például kemoterápiás szerek és vírusellenes gyógyszerek metabolizmusát. Ezért a mikrobióma-mintavétel fontos a mikrobióta gyógyszerkölcsönhatások megértése szempontjából, és lehetőséget teremt a betegspecifikus gyógyszeradagolás fejlesztésére.

A meglévő kutatások nagy részét ex-situ mintavételi módszerekkel végezték, amelyek a széklet gyűjtésén alapulnak. Mivel a bélbaktériumoknak csak a töredéke mutatható ki a székletmintákból, jelentős erőfeszítéseket tettek annak érdekében, hogy lehetővé váljon a mikroorganizmusok közvetlen mintavétele a GI-traktusból (gasztrointesztinális, azaz gyomor-bél traktusból). Maga a gyomor-bél szakasz kilenc méter hosszú, átmérője pedig betegenként változik, tehát a közvetlen mintavétel számos problémába ütközik. A jelenlegi kolonoszkópia és gasztroszkópia módszerek bizonyos szakaszokban csak a mintavételre korlátozódnak, és invazívak lehetnek, de akár az is előfordulhat, hogy a betegek nem felelnek meg a szabályoknak.

Az intelligens funkcionális kapszulák alternatív megoldást biztosítanak, mivel képesek rá, hogy baktériummintákat szedjenek fel a GI-traktus mentén, előre meghatározott helyekről. A PillCam Capsule Endoscopy (CE) technológia már forgalomba került, és széles körben használják a hagyományos endoszkópiák nem invazív alternatívájaként. A PillCam videodiagnosztikai képességei vitathatatlanok, de nem képes mintákat gyűjteni és tárolni. Bár voltak már próbálkozások akkumulátorral vezérelt mintavételi kapszula kifejlesztésére, ám a meghibásodások miatt az eszközök a beteg bélrendszerében maradtak a tesztelés során.

A „passzív működtetésű” mintavétel az eddigiekkel szemben kompaktabb, biztonságosabb és olcsóbb lehetőséget kínál. A kapszula a bél perisztaltikus mozgását kihasználva mozog a GI-traktuson át, átlagos sebessége pedig 1–2 cm/perc.

A Purdue-kapszula kialakítása

A Purdue Egyetem kutatócsapata olyan kapszulát hozott létre, amely egy abszorbens hidrogél duzzadási tulajdonságát használja fel a bioorganizmusok begyűjtésére. A hidrogélek szuperabszorbensek, és a tömegük 150–300-szorosát is képesek felvenni vizes közegben, tehát ideálisak baktériumok tárolására. A hidrogélek abszorpciós képességének bevonása a tabletta kifejlesztésébe lehetővé tette, hogy az eszköz ne legyen invazív, és beléphessen a GI-traktus korábban elérhetetlen területeire is.

Maga a tabletta négy részből áll: egy biológiailag lebomló, bélben oldódó bevonatból, egy 3D-nyomtatott „házból”, a mintavételi hidrogélből és egy gázáteresztő PDMS-membránból. A kutatócsoport a Form2 3D-nyomtató használatával készítette el a tablettákat, biokompatibilis, fényre szilárduló polimerrel. Minden 9 mm átmérőjű és 15 mm hosszú kapszula tartalmazta a mintavételi hidrogélt, valamint az 1 mm vastag membránt.

A biológiailag lebomló, bélben oldódó bevonat késlelteti a kapszula aktiválódását, amíg az el nem éri a célpontját. Amint megérkezett a célhelyre, a bevonat feloldódik, lehetővé téve a GI-folyadékok számára az eszköz feltöltését. Ahogy a dehidratált hidrogél kiterjed a pirula belsejében, a PDMS-membránt a kapszula nyílásához nyomja, és az eszköz megteltével bezárja.

A Purdue-kapszula hatékonyságának tesztelése

Az újonnan kifejlesztett tabletták értékeléséhez a csoport szivárgásvizsgálatot és in vitro baktériumvizsgálatot is végzett. Az eszköz tömítőmechanizmusának felmérése érdekében az összeállított kapszulát és külön csak hidrogélt merítették nátrium-klorid-oldatba és ioncserélt vízbe nyolc órán keresztül. A két hidrogél közti különbséget vörös ételfesték hozzáadásával tették láthatóvá, így pontos adatokat nyertek azok abszorpciós szintjéről.

A lezárt kapszulában és a tiszta ioncserélt vízben az abszorpció szintje összehasonlíthatónak bizonyult, és az idő teltével stabil maradt. A teszt tehát megerősítette, hogy a lezárt kapszulán belüli hidrogél és a nátrium-klorid-oldat között nem történt folyadékcsere.

Annak igazolására, hogy az eszköz képes baktériummintákat venni, a kutatók a kapszulákat tenyésztési oldatba merítették a GI-környezetet szimuláló közegben. Három teljesen összeállított kapszulát és egy csupasz hidrogélmintát mártottak be három különböző oldatba, egyenként egy órán keresztül. A körülményeket úgy tervezték meg, hogy ellenségesek legyenek a baktériumokkal, és amennyiben a kapszula nem védi eléggé a benne található biómát, azok biztosan elpusztuljanak.

A keresztmetszeti SEM-képek megerősítették a baktériumok jelenlétét a hidrogél felületén, és azt, hogy az E. coli baktériumok képesek kapcsolódni a gél szilárd polimerhálózatához. A további vizsgálatok során fehérítő és Tobramycin antibiotikum kombinációját alkalmazták a lehető legrosszabb, de még valósághű környezet szimulálására. A csupasz hidrogélekben minden körülmények között alacsonyabbnak találták az életképes baktériumok számát, mint a lezárt kapszulákból kivont mintákban. Bár az utóbbi teszt során a baktériumok száma alacsonyabb volt, mint az első esetben, az, hogy élő biómát találtak a kapszulában, további bizonyítékul szolgál arra, hogy a hidrogél tápláló élőhelyet nyújtott a baktériumoknak.

A Purdue csapata úgy véli, hogy a tabletta olcsó és egyszerű kialakítása lehetővé teszi annak széles körű jövőbeli alkalmazását klinikai körülmények között. A kutatók most az in vivo, állatok bélrendszerében végzett tesztekre koncentrálnak.

Korábbi 3D-nyomtatott kapszulák

A 3D-nyomtatott kapszulák eddig is fontos eszközt jelentettek a tudósok számára, mivel nem invazív módszert kínálnak az emberi test belsejének vizsgálatára és befolyásolására.

A Tufts Egyetem által vezetett kutatási projekt során a kutatók szintén nyomtattak egy kapszulát, mely a baktériumok mintavételére szolgál a bélrendszerben, a London University College (UCL) tudósai pedig váratlan kémiai reakciót fedeztek fel 3D-nyomtatott kapszulák készítése közben. A kísérletek szerint az amlodipin vérnyomáscsökkentő gyógyszert nem lehetett kimutatni, ha más gyógyszerek jelenlétében állították elő. A New York-i St. John’s University csapata olyan 3D-nyomtatott tablettákat készített, amelyek képesek megakadályozni az opioid szerekkel való visszaélést olyan betegek esetében, akik függők, és akiket opioidokkal kezelnek. Az ovális tablettákat, amelyeket „tojásoknak” neveztek el, úgy fejlesztették ki, hogy nehéz legyen őket rekreációs célból fogyasztani.

További információk

Hegyi Heni/NEW technology