自動腸内微生物採取用ハイブリッドハイドロゲルマグネット駆動カプセル

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混合水凝胶-磁性驱動カプセルによる自動腸内微生物サンプリング

学術背景

腸内微生物群は大量かつ多様な微生物で構成されており、これらの微生物は人間の健康に重要な影響を与えます。たとえば、がん、糖尿病、および炎症性腸疾患（IBD）などです。現在、腸内微生物を研究する方法は主に糞便サンプリング、回腸造口術、または大腸内視鏡検査などが含まれます。しかし、これらの方法にはさまざまな問題があります。糞便サンプリングでは特定の腸区間の微生物群情報を提供できませんし、回腸造口術と大腸内視鏡検査は高度に侵襲的です。したがって、小腸内で目標サンプリングを行うための非侵襲的なツールが必要です。

近年、飲み込み可能なカプセルが解決策の一つとして浮上しています。これらのカプセルは目標サンプリングを行うと同時に、薬物デリバリー、組織生検、そして能動的な動きなどの機能も備えています。しかし、現在の液体サンプリングカプセルはサイズの限界と高い複雑性の問題に直面しています。効果的に自動サンプリングを実現し、能動的な動きも備えたカプセル設計は依然として稀少です。

カプセル設計の概略図

研究の出典

この論文はYung P. Lai、Taeyoung Lee、Daniel Sieben、Lyle Gauthier、Jaekwang Nam、およびEric Diller（IEEE上級会員）によって共同執筆され、《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》に発表されました。受理日は2024年5月7日です。本研究の一部はカナダ自然科学および工学研究理事会によって資金提供されました（資金提供番号：RGPIN-2020-04551）。著者らはそれぞれトロント大学の機械および産業工学部、ロボティクス研究所、生物医学工学研究所および韓国の光元大学に所属しています。

研究の詳細

研究プロセス

この研究では2種類の異なるカプセル設計を考案しました（設計A：サンプリング容量31 µl、サイズ8 mm × 19 mm；設計B：サンプリング容量41 µl、サイズ8 mm × 21 mm）。カプセル本体には2つの異なるメカニズムが採用されています：

  1. pH応答性水凝膠によるサンプリングトリガー：環境のpH値が6を超えると、水凝膠が自動的に液体サンプリングをトリガーします。
  2. 能動的な運動メカニズム：外部の回転磁場によってカプセルの能動的な動きを実現します。

具体的なプロセスは以下のとおりです：

設計および製造： - カプセル本体は上下2つの部分で構成されています。上部には磁石ロック、pH応答性水凝膠、スライドコンポーネント、および2つの小型立方体スプリング磁石が含まれています。下部にはOリングシール、ピストン磁石、サンプリングチャンバーキャップ、サンプリングチャンバー、およびアクティベート磁石が含まれています。

実験検証： - カプセルはシミュレートされた胃液(pH = 1.2)およびシミュレートされた腸液(pH = 6.8)で自動サンプリング機能をテストします。 - 外部回転磁場を応用して能動的な運動能力をテストします。 - シールテストによりサンプル汚染制御効果を演示します。

主要な実験結果

  1. 自動サンプリングとpH応答の検証：

    • シミュレートされた腸液では、水凝膠が迅速にサンプリングをトリガーし、サンプルの自動収集を実現しました。設計Aは6-15時間内でサンプリングを完了、設計Bは15.2時間でサンプリングを完了しました。
    • サンプリングメカニズムはスライドピストンのサンプルキャビティによってサンプリングを実現し、水凝膠の膨張によって駆動されます。カプセル本体は磁力によってスライドし、開放-サンプリング-閉鎖の全プロセスを完了します。

  2. 能動的な運動機能：

    • 外部回転磁場（磁場強度<10 mT）の下で、カプセルは回転、転がり、転倒モードの運動を実現できます。これにより、回転運動は管道内で実現し、転がり運動は開放環境内で実現します。また、転倒運動は管壁制限下で実現します。

  3. シール性能：

    • 静的条件下で水封と油封の性能を比較し、結果は油封がサンプル汚染防止の効果がより優れていることを示しました。
    • テスト結果はカプセルの初始および最終シール圧力が正常な成人の腹内圧よりも高いことを示し、良好なシール性能を示しました。

研究結論

この研究は、混合水凝膠-磁石駆動カプセルの革新的な設計を提案し、以下の特徴を備えています： - 自動サンプリング能力：pH応答性水凝膠を利用し、外部のアクティベーションなしで自動的にサンプリングをトリガーします。 - 能動的な運動機能：外部の回転磁場によって多様な運動モードを実現し、腸内でのカプセルの移動能力を向上させます。 - 優れたシール性能：油封ソリューションを採用し、サンプル汚染を効果的に防ぎ、サンプル収集の完全性を確保します。

研究の意義と価値

この研究は複数の面で重要な科学的および実用的価値を持っています。まず、より正確で非侵襲的な腸内微生物サンプリング方法を提供し、現在の腸内微生物研究技術を大幅に改良する可能性があります。次に、このカプセルの多機能性および緻密な設計により、臨床応用において広範な可能性を備えており、特に栄養吸収および慢性病モニタリングの分野で有望です。さらに、この設計は複雑な外部コントロールおよびガイドの需要を低減し、操作の簡便性を向上させます。 本研究はカプセル設計および運用メカニズムにおいて革新的なブレークスルーをもたらしただけでなく、将来の医療器具開発に貴重な参考を提供し、腸内微生物研究分野の発展を促進する可能性があります。