Capsule hybride hydrogel-magnétique pour échantillonnage automatique des microbes intestinaux

Contexte académique

Le microbiote intestinal est composé d’un grand nombre de microorganismes variés qui ont un impact important sur la santé humaine, par exemple en relation avec le cancer, le diabète et les maladies inflammatoires de l’intestin (MII). Les méthodes actuelles d’étude du microbiote intestinal incluent principalement l’échantillonnage de selles, l’iléostomie ou la coloscopie. Cependant, ces méthodes présentent divers problèmes : l’échantillonnage des selles ne peut pas fournir d’informations sur des segments spécifiques de l’intestin ; l’iléostomie et la coloscopie sont fortement invasives. Ainsi, il est nécessaire de développer un outil non invasif capable de cibler l’échantillonnage dans l’intestin grêle.

Ces dernières années, les capsules ingérables sont devenues une solution. En plus de l’échantillonnage ciblé, ces capsules offrent également des fonctions telles que la délivrance de médicaments, la biopsie de tissus et le mouvement actif. Cependant, les capsules de prélèvement liquide existantes sont encore limitées par leur taille et leur complexité élevée. Une conception de capsule capable d’échantillonnage automatique et de mouvement actif reste rare.

Origine de la recherche

Cet article a été coécrit par Yung P. Lai, Taeyoung Lee, Daniel Sieben, Lyle Gauthier, Jaekwang Nam et Eric Diller (membre senior de l’IEEE), et publié dans le “IEEE Transactions on Biomedical Engineering”, avec une date d’acceptation du 7 mai 2024. La recherche a été partiellement financée par le Conseil de Recherche en Sciences Naturelles et en Génie du Canada (numéro de subvention : RGPIN-2020-04551). Les auteurs sont affiliés aux départements de génie mécanique et industriel, à l’Institut de recherche en robotique, à l’Institut de génie biomédical de l’Université de Toronto et à l’Université de Kwangwoon en Corée du Sud.

Détails de la recherche

Processus de recherche

Cette étude a conçu deux types de capsule (Conception A : volume d’échantillonnage 31 µl, taille 8 mm × 19 mm ; Conception B : volume d’échantillonnage 41 µl, taille 8 mm × 21 mm). La capsule fonctionne selon deux mécanismes :

1. Hydrogel sensible au pH pour déclencher l’échantillonnage : lorsqu’un pH supérieur à 6 est détecté, l’hydrogel déclenche automatiquement l’échantillonnage du liquide.
2. Mécanisme de mouvement actif : le mouvement de la capsule est contrôlé par un champ magnétique rotatif externe.

Le processus spécifique est le suivant :

Conception et fabrication : - La capsule est composée de deux parties : la partie supérieure contient un verrou magnétique, un hydrogel sensible au pH, un ensemble coulissant et deux petits aimants à ressort cubiques. La partie inférieure comprend un joint torique en forme d’étoile, un piston magnétique, un couvercle de chambre d’échantillonnage, une chambre d’échantillonnage et un aimant activateur.

Validation expérimentale : - La capsule a été testée dans un liquide gastrique simulé (pH = 1,2) et un liquide intestinal simulé (pH = 6,8) pour vérifier la fonction d’échantillonnage automatique. - La capacité de mouvement actif de la capsule a été testée en utilisant un champ magnétique rotatif externe. - Des tests d’étanchéité ont été effectués pour démontrer l’efficacité du contrôle de la contamination de l’échantillon.

Principaux résultats expérimentaux

1. Échantillonnage automatique et validation de la sensibilité au pH :

   • Dans un liquide intestinal simulé, l’hydrogel a initié rapidement l’échantillonnage, permettant une collecte automatique de l’échantillon. La conception A a complété l’échantillonnage en 6-15 heures, tandis que la conception B l’a accompli en 15,2 heures.
   • Le mécanisme d’échantillonnage a fonctionné par coulissement du piston dans la chambre d’échantillonnage, activé par l’expansion de l’hydrogel, permettant à la capsule de s’ouvrir, d’échantillonner et de se refermer par l’intermédiaire de forces magnétiques.

2. Fonction de mouvement actif :

   • Sous l’effet d’un champ magnétique rotatif externe (force de champ < 10 mT), la capsule a pu effectuer des mouvements de rotation, de roulement et de basculement. Le mouvement de rotation a été réalisé dans un tube, le mouvement de roulement dans un environnement ouvert et le basculement a été réalisé sous restrictions de parois.

3. Performance d’étanchéité :

   • La performance de l’étanchéité à l’huile et à l’eau a été comparée en conditions statiques, montrant que l’étanchéité à l’huile offrait une meilleure protection contre la contamination de l’échantillon.
   • Les résultats des tests ont montré que la pression d’étanchéité initiale et finale de la capsule était supérieure à celle de la pression intra-abdominale normale chez l’adulte, démontrant une bonne performance d’étanchéité.

Conclusion de la recherche

Cette étude présente une conception innovante de capsule hybride hydrogel-magnétique avec les caractéristiques suivantes : - Capacité d’échantillonnage automatique : elle utilise un hydrogel sensible au pH qui déclenche automatiquement l’échantillonnage sans activation externe. - Fonction de mouvement actif : grâce à un champ magnétique rotatif externe, elle permet différents modes de mouvement, améliorant la mobilité de la capsule dans l’intestin. - Excellente performance d’étanchéité : en utilisant un joint à l’huile, elle évite efficacement la contamination de l’échantillon, assurant l’intégrité de la collecte des échantillons.

Signification et valeur de la recherche

Cette étude revêt une grande importance scientifique et applicative. Elle propose une méthode d’échantillonnage des microbes intestinaux plus précise et non invasive, susceptible d’améliorer considérablement les techniques actuelles de recherche sur le microbiote intestinal. De plus, par sa multifonctionnalité et son design compact, cette capsule a un potentiel étendu pour des applications cliniques, notamment pour le suivi de l’absorption des nutriments et des maladies chroniques. Enfin, cette conception réduit les besoins en contrôle externe complexe, simplifiant ainsi l’opération. Cette recherche apporte non seulement une innovation remarquable dans la conception et le mécanisme de fonctionnement des capsules, mais elle offre également des références précieuses pour le développement futur de dispositifs médicaux, tout en contribuant à l’avancée des études sur le microbiote intestinal.