Режим самоуничтожения: разложение эндоскопической капсулы за счет света
Одним из самых распространенных и эффективных методов диагностики ЖКТ (желудочно-кишечного тракта) является эндоскопия. Пациент приходит на процедуру, ложится на бочок (как правило, но не всегда), а добрый доктор вводит ему в организм через естественные пути эндоскопический зонд. Приятного в этом процессе мало, для пациента так точно. Однако такой метод позволяет выявить те или иные повреждения тканей или проявления заболеваний внутри ЖКТ.
В 1997 году Габи Иддан и Пол Свэйн создали новый вид эндоскопии — капсульную, когда пациент проглатывает «пилюлю» с камерой, делающую несколько десятков тысяч снимков за пару часов работы. Однако процедура внедрения в организм человека чужеродного тела всегда сопряжена с определенными рисками. Одноразовая капсула, выполнив свою работу, естественным образом выводится из организма, но случаются и казусы, когда она решает задержаться в гостях. В таким плачевных ситуациях приходится проводить специальную операцию для ее удаления. Точнее сказать, раньше приходилось, ибо ученые из МТИ (Массачусетский технологический институт, США) разработали новый тип капсул, которые разрушаются, если на них воздействует свет. Какой материал послужил основой нового устройства, как именно активируется режим самоуничтожения и что происходит дальше? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.
Основа исследования
Фундаментом нового типа капсул для эндоскопии стал особый материал — гидрогель. Биосовместимость и абсорбирующие свойства данного вещества напоминают характеристики биологических тканей, что делает его идеальным строительным материалом для устройств, применяемых в медицине. Разработка зондов на основе гидрогелей ведется уже давно, а полученные в ее результате устройства разнообразны как в своем целевом назначении, так и в способе активации самоуничтожения. Самыми распространенными способами контроля над гидрогелевыми зондами на данный момент являются температура, магнитные волны, уровень pH и химические реагенты. Все эти способы приводят к определенной реакции материала зонда, что провоцирует их активацию или же самоуничтожение (но без большого «бабах» как в кино про шпионов и секретные лаборатории).
Однако у каждого из методов контроля есть свои недостатки, заявляют исследователи. Так, тепловой контроль может оказывать отрицательный эффект на ткани, окружающие устройство, а магнитные волны, излучаемые самим устройством, могут мешать проведению более классических диагностик (например, МРТ). Управлять зондом с помощью рН можно только, если он был введен в определенную область организма, чтобы вписываться в достаточно узкий рН диапазон устройства. Химический же контроль требует непосредственного контакта зонда и химического реагента, что также может пагубно повлиять на окружающие ткани, если неправильно провести эту сложную процедуру.
Другими словами, самые разные методы есть, но все они в чем-то плохи или недоработаны. По мнению исследователей, зонд, способный к саморазложению, должен совмещать в себе ряд важных особенностей: биосовместимость, бесконтактная активация/дезактивация, пространственный контроль, растворимость и динамическая доставка (без применения инвазивных методов).
Лучше других в эти рамки вписываются зонды с оптической активацией. Такое устройство можно применять в любой части тела, но особый интерес ученые испытывают к ЖКТ, поскольку другие методики (рН, химический или тепловой) могут негативно сказываться на здоровье, ввиду динамической среды. Разработанный световой триггер, активирующий разложение капсулы, не будет негативно влиять на здоровье пациента, поскольку фактически не будет влиять на среду, в которой он находится.
Гидрогели бывают разные, следовательно, все они по-разному реагируют на те или иные триггеры (внешние стимулы). Ученые установили, что гидрогель из полиэтиленгликоля (ПЭГ, C2nH4n+2On+1) полимеризованный с применением акрилированного орто-нитробензила (oNB) способен активироваться при воздействии на него синим светом (365–405 нм). Продукты распада зонда из такого гидрогеля при этом являются полностью биосовместимыми, т.е. безопасными для тканей органов ЖКТ.
Результаты исследования
Прежде всего стоит рассмотреть процесс создания гидрогеля. Акрилатные функциональные группы на каждом конце мономерной цепи легко формируют связи, образуя совмещенные трехмерные сети посредством радикальной полимеризации.
Изображение №1
Таким образом, полимер, который содержит легко расщепляемый фрагмент oNB и ограничен акрилатными функциональными группами, может служить в качестве оптически чувствительного линкера (связующее вещество) для любой полимерной сети, основанного связей за счет акрилата (1A). Вызванное светом разложение линкера приводит к контролируемому процессу разрушения самой сети. Помимо этого, линкер oNB поддается смешиванию с акрилированными линкерами в разных пропорциях. Эта особенность позволяет контролировать степень распада трехмерной полимерной сети от частичного до полного.
Веществом-основой для синтеза линкера oNB стал ПЭГ 4-(3-(1-акрилоилоксиэтил) -4-нитрофенокси)бутаноат (1B).
Примененная методика синтеза гидрогеля позволяет создавать гели как с одинарной, так и с двойной сетью. Гели с двойной состоят из взаимопроникающих сетей из ковалентно связанных полимеров. Такой вариант отличается повышенной растяжимостью и ударной вязкостью. Ранее проведенные исследования показали улучшенные механические свойства взаимопроникающих сетей поли (акриламида) и поли (2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты) (2А).
Изображение №2: PAAM — поли (акриламид), сокращенно ПАА; PAMPS — поли (2-акриламидо-2-метилпропансульфоновая кислота), сокращенно Н-АМС.
Данный тип гидрогеля (Н-АМС/ПАА) обладает высокой степенью биосовместимости. Эго даже предложили в качестве материала для изготовления искусственных хрящей. Кроме того, данный материал прозрачен в диапазоне длин волн от 300 до 800 нм, что делает его идеальным кандидатом для создания зонда со световым триггером.
Жесткость и растяжимость Н-АМС/ПАА гелей можно регулировать за счет изменения длины и концентрации мономерных цепей, которые образуют основную цепь, а также за счет изменения концентрации линкера в растворе форполимера.
Проведенный сравнительный анализ гидрогеля с одинарной и двойной сетью показал, что гель oNB-Н-АМС/ПАА (двойная сеть) в 12 раз прочнее, чем гель oNB-ПАА (одинарная сеть) (2В). Подобная тенденция наблюдается и при тестировании гелей на сжатие. Гель Н-АМС/ПАА, связанный посредством акрилатного линкера MBAA (N, N»-метиленбисакриламид), начинает разрушаться при 149 ± 49 кПа, а гель Н-АМС/ПАА, связанный линкером oNB, при 40.8 ± 3.2 кПа. Таким образом, образованные с линкером oNB, менее жесткие, чем гидрогели, образованные с MBAA, что может быть связано с увеличением длины цепи светочувствительного линкера.
Важно помнить и про сжатие, ибо максимальное желудочное давление у человека колеблется от 0.01 до 0.013 МПа. Было установлено, что модуль сжатия у разработанного oNB превосходит эти данные.
Цитотоксичность гелей с двойной сетью была в пределах нормы (2C). Для проверки этого использовались клетки кишечника HT29 и Caco-2, которые инкубировали вместе с гелями, а потом проводили анализ жизнеспособности клеток.
Второй, после гидрогеля, важной частью исследования является свет, который вызывает его разложение. Степень и скорость разложения можно контролировать и варьировать за счет настройки разных параметров: интенсивность света, длина волны, состав и распределение чувствительных к свету линкеров oNB в геле.
Чтобы проверить влияние каждого из этих параметров на механические свойства гелей, была создана специальная установка для контроля интенсивности света и расстояния от его источника. На платформе в установке можно было установить от 1 до 5 светодиодов излучающих свет с длиной волны 365 или 405 нм. На платформе для образцов был помещен цифровой экспонометр, необходимый для измерения интенсивности света от одного, трех или пяти светодиодов 365 нм (3А).
Изображение №3
Интенсивность света и расстояние должны теоретически иметь обратную квадратичную зависимость, что было успешно подтверждено на практике.
Динамическую деградацию oNB гидрогелей в ответ на световое воздействие контролировали с помощью реологических тестов.
ПАА-oNB гели облучали матрицей из трех светодиодов (365 нм) в течение 45 минут, а модуль сдвига (G) измеряли через 0, 15, 30 и 45 минут (3B). Мощность источника света, расположенного непосредственно над гелями (расстояние 0 мм), снижалась до 52% после 15 минут от начала разложение, до 28% после 30 минут и до 25% после 45 минут.
Увеличение расстояния от источника света до 5, 10, 15 и 30 мм привело к уменьшению модуля сдвига до 32, 37, 50 и 95% от его первоначального значения после 45-минутной деградации геля. Это демонстрирует значительную зависимость степени деградации от интенсивности света, испытываемого гелем, так как интенсивность света падает с почти 11.4 мВт/см2 на расстоянии от 0 мм до 0.9 мВт/см2 на расстоянии 30 мм.
Как мы помним, процентное содержание светочувствительного линкера в гидрогеле определяет степень разложения геля. Полное растворение достижимо, если использовать исключительно линкеры oNB, частичное же растворение происходит, когда oNB смешивается с другими акрилированными линкерами.
Измерения модуля сдвига ПАА-oNB геля через 0 и 45 минут после облучения проводились на гелях с 50, 75 и 90% содержанием oNB линкера (3C). В каждом из этих вариантов гелей остальное занимал MBAA линкер, необходимый для формирования сети 3D-гидрогеля: 50, 25 и 10%, соответственно. Как и ожидалось, увеличение доли расщепляемого светом линкера в гидрогеле привело к значительному снижению механической прочности геля после 45 минут облучения светом с длиной волны 365 нм при 11.4 мВт/см2. Модуль сдвига деградированных гелей упал до 85, 52 и 25% от их первоначальных предварительно деградированных значений для гелей, содержащих 50, 75 и 90% oNB линкера, соответственно.
Увеличение процентного содержания oNB линкера в гидрогелях снижает механическую прочность гидрогелей в их предварительно разложенном состоянии, поскольку линкеры MBAA короче и жестче, чем молекулы линкера oNB (2B). Таким образом, существует компромисс между чувствительностью к свету и максимальной механической прочностью.
Еще одним параметром, меняющим реакцию материала на свет, является длина волны этого света. Линкеры oNB чувствительны к синему свету в диапазоне длин волн от 365 до 405 нм. Опыты показали, что такие гели лучше расщепляются при воздействии на них высокочастотного излучения.
После 45 минут облучения при 11.4 мВт/см2 и с длиной волны 405 нм модуль сдвига гелей падает до 73% от своего изначального значения, а при 365 нм до 25% (3D). Учитывая данную чувствительность к длине волны облучаемого гель света, а также возможность регулирования времени светового воздействия, можно получить гель, который будет разлагаться согласно требованиям, заложенным еще на стадии проектирования.
Как мы помним, цитотоксичность oNB линкеров уже оценивалась в состоянии материала до разложения (была установлена полная биосовместимость). Анализ цитотоксичности после разложения, вызванного светом, показал, что побочные продукты разложения также были цитосовместимыми (3E).
Исследователи напоминают нам, что на данный момент есть множество устройств для лечения и диагностики, которые должны находится в ЖКТ пациента определенное время. Разложение таких устройств основано на характеристиках материалов, из которых они состоят. Часто удаление таких устройств требует хирургического вмешательства. Ярким тому примером являются бариатрические (интрагастральные) баллоны, которые размещают в желудке пациента для уменьшения потребляемой пищи (оперативное лечение ожирения). Эти баллоны удалить можно только посредством эндоскопической хирургии. Еще один пример это стенты — цилиндрические полые каркасы, которые помещаются в повреждения полых органов для расширения участка, суженного заболеванием. Эти устройства также удаляются исключительно оперативным вмешательством.
В своем исследовании ученые предложили изменить эти два устройства (баллоны и стенты) таким образом, чтобы они самостоятельно разлагались за счет светового воздействия в теле пациента без нужды в операции.
Проект саморазлагающегося бариатрического баллона на основе гидрогеля
Создание баллона из гидрогеля сопряжено с рядом проблем, так как данное устройство должно работать в достаточно сложных условиях, поскольку присутствует сразу несколько факторов: температура тела, кислотность желудка, влажность, бактериальная популяция, ферментные элементы. Кроме того устройство должно быть изначально достаточно маленьким, чтобы легко проходить через пищевод, а по достижению желудка расшириться до необходимого функционального размера, что опять таки исключает необходимость в хирургическом вмешательстве. Кроме химического и физического воздействия есть также и механическое, утрированно говоря. Устройство в желудке должно исправно работать, несмотря на перистальтику с силой в 3 Н.
Изображение №4
После активации разложения, баллон начнет уменьшаться в размерах, следовательно, он должен стать достаточно мал (4А), чтобы пройти через привратник желудка (сфинктер, фактически отделяющий желудок от двенадцатиперстной кишки).
Ученые создали баллон из эластичной пористой полимерной оболочки, наполненный веществом, которое быстро разбухает при намокании. Гидрогель oNB, отлитый в форме колпачкового штифта, переплетается через открытый конец баллона, герметизируя его и предотвращая выход надувающего наполнителя из полимерной оболочки баллона (4B). В качестве материала была выбрана прочная, но достаточно эластичная композиция гидрогеля, состоящая из 4 М ПАА и 0.1 мол.% oNB.
Демонстрация расширения созданного гидрогелевого баллона внутри желудка.
Предварительное тестирование баллона в искусственной желудочной жидкости позволило оптимизировать множество параметров, в том числе и степень пористости полимерной оболочки и состав материала наполнителя (гидрогеля). Таким образом были достигнуты оптимальные параметры конструкции: скорость расширения баллона, степень расширения и время сохранения формы. Латексные мембраны содержали массив пор размером 300 мкм, которые были заполнены полиакрилатом натрия (150 мг) и PolySnow (1350 мг).
Разработанный баллон увеличивается размерена в 22 раза до 71 мл по сравнению со своим изначальным объемом. Продолжительность жизни такого объема составила 24 часа.
Далее ученые решили проверить, как баллон будет реагировать на сжимающие перистальтические силы желудка. Для этого было проведено испытание, в котором на устройство оказывалось циклическое давление (10 Н) в течение 24 часов после набухания. Наблюдения не выявили никаких механических повреждений оболочки или гидрогеля, что было подтверждено отсутствием утечек наполнителя.
Далее центральную точку гидрогелевого стержня облучали светом с длиной волны 365 нм при 11.4 мВт/см2 в течение 30 минут, а потом повторно проверяли с помощью циклического давления. Ослабленный светом гидрогель не смог противостоять силе в 3 Н, потому наполнитель вытек. Следовательно, такое устройство будет отлично работать в желудочной среде, а при необходимости его выведения достаточно лишь активировать световой сигнал, который приведет к ослаблению гидрогеля.
Тестирование в реальных условиях проводились при участии свиней породы «йоркшир» весом от 65 до 85 кг, поскольку их анатомические параметры ЖКТ очень схожи с человеческими.
Баллоны вводились через пищевод. Успешное набухание было подтверждено эндоскопией и рентгеном (4С). Устройство полноценно работало в желудке без каких-либо повреждений и без негативного влияния на организм свиньи. Далее посредством модифицированного эндоскопа был активирован свет (3 светодиода, 365 нм, 11.4 мВт/см2), который в свою очередь активировал процесс разложения (4D). Данный метод активации является инвазивный, так как необходимо ввести эндоскоп для включения светодиодов. Однако был создан и второй, неинвазивный метод посредством светодиода на батарейке с магнитом, который при введении через пищевод соединяется с баллоном и активирует его разложение (4Е).
Эндоскопическая стыковка светодиода и баллона внутри желудка.
После успешной стыковки светодиода и баллона, свет был оставлен включенным на 70, а не на 30 минут, чтобы проверить снижение интенсивности света с 11.4 до 5.19 мВт/см2 при сохранении постоянная плотности энергии (25.2 Дж/ см2).
Стыковка светодиодов произошла в течение нескольких минут после помещения внутрь желудка, поскольку баллон и светодиод плавали в желудочной жидкости. Перистальтика желудка привела к тому, что устройства оказались достаточно близко друг к другу, что активировало магнитное притяжение светодиода к баллону. После активации разложения (спустя 6 часов) проводилась повторная рентгенография (4F), показавшая значительное уменьшение размера баллона.
Баллоны, разложение которых было вызвано эндоскопом и автономным светодиодом уменьшились в объеме до 68% и 70% от первоначального, соответственно, (4G) уже спустя час после активации разложения.
Исследователи заявляют, что их метод фактической активации баллона посредством эндоскопического воздействия или через магнитный светодиод является лишь одним из вариантов. В дальнейшем можно создать более удобные методы, не требующие того же эндоскопа. Также необходимо будет изучить время, необходимое на стыковку светодиода и баллона, поскольку существует ряд переменных, влияющих на этот показатель: размер желудка, состояние желудка (сытость/голод), содержимое желудка и т.д.
Проект саморазлагающегося стента на основе гидрогеля
На основе гидрогеля был создан стент, предназначенный для установки в пищеводе для потенциальной структурной поддержки и / или локальной доставки лекарственных веществ. Было создано простое цилиндрическое кольцо (4I) из oNB гидрогеля с шариками поли (е-капролактона) (PCL). PCL это полимер, который широко применяется для контролируемого высвобождения лекарственного средства (4H).Материал устройства содержал 4 M Н-АМС и 4 мол.% линкера oNB.
Вставки из PCL на кольце были специально окрашены смесью сульфата бария, чтобы сделать их рентгеноконтрастными, что делает их видимыми через рентгеновские лучи внутри пищевода свиней (4J).
До проведения практических наблюдений было установлено, что созданные стенты способны выдерживать перистальтические колебания стенок пищевода. После активации разложения было установлено, что сопротивление перистальтическому сжатию у стента упало до 25% от его первоначального показателя (4К). В дальнейшем перистальтика пищевода приводила к полному разрушению активированного светом стента и к его полному выведению из пищевода (4L). Из этого следует, что подобные устройства будут находиться в установленном месте и выполнять свои функции, успешно сопротивляясь перистальтике, до момента активации разложения света.
Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде ученые описали не новый тип устройств, а скорее новый метод их изготовления, основанный на применении гидрогеля и светочувствительных веществ, активация которых приводит к разложению всего устройства. Существующие на данный момент устройства нельзя просто так удалить из организма пациента не применив при этом какой-то из методов инвазивного вмешательства, будь то эндоскопия или самая настоящая операция. Конечно, подобные методы не отличаются особой опасностью для пациента или сложность в выполнении для опытного врача, однако избавившись от них, можно облегчить жизнь и тем, и другим.
Устройства, выполнив свою задачу, просто распадаются на части, которые выводятся из организма естественным путем. Кроме того, исследователи отмечают, что разработанная ими методика может также применяться и для создания саморазлагающихся устройств, транспортирующих лекарства в нужные отделы организма. Как бы там ни было, данный труд уж точно придется по душе всем тем, кому хоть раз в жизни приходилось глотать эндоскопический зонд.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)
Немного рекламы :)
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
