Una varietà di dispositivi medici può essere inserita nel tratto gastrointestinale per trattare, diagnosticare, o monitorare i disturbi gastrointestinali. Molti di questi devono essere rimossi mediante chirurgia endoscopica una volta terminato il loro lavoro. Però, Gli ingegneri del MIT hanno ora escogitato un modo per far sì che tali dispositivi si rompano all'interno del corpo quando vengono esposti alla luce di un LED ingeribile.

Il nuovo approccio si basa su un idrogel fotosensibile progettato dai ricercatori. Incorporare questo materiale nei dispositivi medici potrebbe evitare molte procedure endoscopiche e offrirebbe ai medici un modo più rapido e semplice per rimuovere i dispositivi quando non sono più necessari o non funzionano correttamente, dicono i ricercatori.

"Stiamo sviluppando una serie di sistemi che possono risiedere nel tratto gastrointestinale, e come parte di ciò, stiamo cercando di sviluppare diversi modi in cui possiamo attivare lo smontaggio dei dispositivi nel tratto gastrointestinale senza la necessità di una procedura importante, "dice Giovanni Traverso, un assistente professore di ingegneria meccanica, un gastroenterologo al Brigham and Women's Hospital, e l'autore senior dello studio.

In uno studio sui maiali, i ricercatori hanno dimostrato che i dispositivi realizzati con questo idrogel sensibile alla luce possono essere innescati per rompersi dopo essere stati esposti alla luce blu o ultravioletta di un piccolo LED.

Ritu Raman, un postdoc presso il Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT, è l'autore principale del documento, che appare oggi in Progressi scientifici . Altri autori del documento sono ex soci tecnici Tiffany Hua, Jianlin Zhou, Tina Esfandiary, e Vance Soares; associati tecnici Declan Gwynne, Gioia Collins, e Siddartha Tamang; studente laureato Simo Pajovic; Veterinaria della Divisione di Medicina Comparata Alison Hayward; e il professor Robert Langer del David H. Koch Institute.

Guasto controllato

Negli ultimi anni, Traverso e Langer hanno sviluppato molti dispositivi ingeribili progettati per rimanere nel tratto gastrointestinale per lunghi periodi di tempo. Hanno anche lavorato su una varietà di strategie per controllare il guasto di tali dispositivi, compresi i metodi basati su variazioni di pH o temperatura, o l'esposizione a determinate sostanze chimiche.

"Dati i nostri interessi nello sviluppo di sistemi che possono risiedere per periodi prolungati nel tratto gastrointestinale, continuiamo a studiare una serie di approcci per facilitare la rimozione di questi sistemi nel contesto di una reazione avversa o quando non sono più necessari, " Dice Traverso. "Stiamo davvero esaminando diversi trigger e come si comportano, e se possiamo applicarli a diverse impostazioni."

In questo studio, i ricercatori hanno esplorato un trigger basato sulla luce, che ritenevano potesse offrire alcuni vantaggi rispetto ai loro approcci precedenti. Un potenziale vantaggio è che la luce può agire a distanza e non ha bisogno di entrare in contatto diretto con il materiale in decomposizione. Anche, la luce normalmente non penetra nel tratto gastrointestinale, quindi non c'è possibilità di attivazione accidentale.

Per creare il nuovo materiale, Raman ha progettato un idrogel fotosensibile basato su un materiale sviluppato nel laboratorio di Kristi Anseth, un ex postdoc del laboratorio Langer che ora è professore di ingegneria chimica e biologica presso l'Università del Colorado a Boulder. Questo gel polimerico include un legame chimico che si rompe quando esposto a una lunghezza d'onda della luce compresa tra 405 e 365 nanometri (dal blu all'ultravioletto).

Raman decise che invece di realizzare un materiale composto esclusivamente da quel polimero fotosensibile, lo userebbe per collegare insieme componenti più forti come il poliacrilammide. Ciò rende il materiale complessivo più resistente, ma consente comunque di rompersi o indebolirsi se esposto alla giusta lunghezza d'onda della luce. Ha anche costruito il materiale come una "doppia rete, " in cui una rete polimerica ne circonda un'altra.

"Stai formando una rete polimerica e poi formando un'altra rete polimerica attorno ad essa, quindi è davvero impigliato. Questo lo rende molto resistente ed elastico, "dice Raman.

Le proprietà del materiale possono essere regolate variando la composizione del gel. Quando il linker fotosensibile costituisce una percentuale maggiore del materiale, si rompe più velocemente in risposta alla luce ma è anche meccanicamente più debole. I ricercatori possono anche controllare il tempo necessario per scomporre il materiale utilizzando diverse lunghezze d'onda della luce. La luce blu funziona più lentamente ma pone meno rischi per le cellule sensibili ai danni della luce ultravioletta.

Sgonfiato dalla luce

Il gel e i suoi prodotti di degradazione sono biocompatibili, e il gel può essere facilmente modellato in una varietà di forme. In questo studio, i ricercatori lo hanno utilizzato per dimostrare due possibili applicazioni:un sigillo per un palloncino bariatrico e uno stent esofageo. Palloncini bariatrici standard, che a volte sono usati per aiutare a curare l'obesità, vengono gonfiati nello stomaco di un paziente e riempiti con soluzione salina. Dopo circa sei mesi, il palloncino viene rimosso mediante chirurgia endoscopica.

In contrasto, il palloncino bariatrico progettato dal team del MIT può essere sgonfiato esponendo il sigillo a una minuscola luce LED, che in linea di principio verrebbe inghiottito e poi svanirebbe dal corpo. Il loro palloncino è fatto di lattice e riempito di poliacrilato di sodio, che assorbe acqua. In questo studio, i ricercatori hanno testato i palloncini nei maiali e hanno scoperto che i palloncini si gonfiavano non appena venivano inseriti nello stomaco. Quando un piccolo, LED ingeribile che emette luce blu è stato posto nello stomaco per circa sei ore, i palloncini si sono sgonfiati lentamente. Con una luce più potente, il materiale si è rotto entro 30 minuti.

I ricercatori hanno anche modellato il gel fotosensibile in uno stent esofageo. Tali stent sono talvolta usati per aiutare a trattare il cancro esofageo o altri disturbi che causano un restringimento dell'esofago. Una versione innescabile con la luce potrebbe essere scomposta e fatta passare attraverso il tratto digestivo quando non è più necessaria.

Oltre a queste due applicazioni, questo approccio potrebbe essere utilizzato per creare altri tipi di dispositivi degradabili, come veicoli per la somministrazione di farmaci al tratto gastrointestinale, secondo i ricercatori.

"Questo studio è una prova del concetto che possiamo creare questo tipo di materiale, e ora stiamo pensando a quali sono le migliori applicazioni per questo, " dice Traverso.