In medicina, il progresso diagnostico avanza di anno in anno in tutti i suoi ambiti; uno dei migliori esempi riguarda lo studio e l’esplorazione del tratto gastrointestinale, di assoluta importanza nella diagnosi e nel controllo di molte malattie legate all’intestino tenue, come il sanguinamento gastrointestinale occulto, il morbo di Crohn, la celiachia e le poliposi. In questo ambito, si è passati dal poter esaminare i soli tratti distali – ad esempio tramite esofagogastroduodenoscopia (EGDS) o colonscopia – alla possibilità di osservare, letteralmente a 360°, l’intero intestino attraverso videocapsule ingerite dai pazienti. Ciò ha consentito l’ispezione e lo studio di tutto il “percorso intestinale” eliminando ogni punto oscuro all’occhio medico, nonché offrendo un maggiore comfort per i pazienti e quindi una migliore compliance.
Nonostante i numerosi passi avanti non è però possibile ottenere più che semplici immagini digitali, data l’impossibilità, tramite gli attuali endoscopi capsulari, di prelevare materiale organico od effettuare altre misurazioni. Uno degli aspetti limitanti, inoltre, è la necessità di incorporare all’interno del sistema una batteria che, oltre a risultare il componente più grande del dispositivo, può essere soggetta a malfunzionamento o scarsa autonomia.
Per ovviare a tali limitazioni, negli ultimi anni sono stati condotti diversi studi volti al concepimento di un dispositivo capace di far fronte alle esigenze della medicina moderna.
Arriva così, dalla Purdue University, il nuovo dispositivo in grado di prelevare, lungo il suo tragitto enterico, materiale fluido organico (comprensivo quindi di microflora batterica) a livello dell’intestino tenue, un tratto particolarmente ostico da raggiungere attraverso i convenzionali ed invasivi metodi diagnostici come l’endoscopia e la colonscopia. La capsula è stata progettata e poi stampata in 3D, è senza batteria ed è in grado di raccogliere campioni in tutto il tratto gastrointestinale, viaggiando tramite peristalsi ad una velocità media di 1-2 cm al minuto.
Perché è importante il microbiota intestinale?
È ormai indiscusso che i microorganismi residenti nel tratto gastrointestinale siano correlati a diverse patologie non solo metaboliche, come il diabete, l’obesità o la sindrome metabolica, ma anche alla depressione e all’ansia. È stato infatti dimostrato il ruolo che la flora batterica esercita non solo sul metabolismo umano e sulla funzionalità dei sistemi immunitario e nervoso, ma anche sul metabolismo di alcuni farmaci somministrati per via orale. Sfruttare il microbiota potrebbe quindi essere una valida strategia anche per controllare, almeno in parte, la farmacocinetica e la biodisponibilità di un farmaco facendo sì che esso venga rilasciato solo quando giunge in un sito specifico.
Componenti e funzionamento
La capsula progettata dai ricercatori dell’Indiana, della grandezza media di una pastiglia (9 mm × 15 mm), è costituita da 4 componenti: una camera di contenimento stampata in 3D e dotata di tappo a vite, un idrogel ad assorbimento rapido, una membrana PDMS (polidimetilsilossano) flessibile e permeabile ai gas, il tutto racchiuso all’interno di un involucro enterico biodegradabile.
Uno dei punti di forza del progetto sta nell’aver sfruttato appieno le caratteristiche intrinseche dell’idrogel all’interno della capsula: si tratta di un colloide costituito da reti polimeriche di natura idrofila, in grado cioè di assorbire grandi quantità d’acqua fino a raggiungere un peso 150-300 volte maggiore rispetto a quello di origine.
Sfruttando tali proprietà è stato, dunque, possibile progettare un dispositivo di dimensioni contenute, non invasivo ed in grado di proteggere i campioni prelevati da aree altrimenti irraggiungibili del tratto gastrointestinale.
Le fasi che strutturano il prelievo del campione sono principalmente tre:
- Quando il paziente ingerisce la capsula, il rivestimento enterico biodegradabile impedisce l’entrata di fluidi fino a quando la capsula raggiunge un sito specifico all’interno del tratto gastrointestinale;
- Una volta raggiunta la posizione target, il rivestimento esterno si degrada creando un’apertura che consente ai fluidi intestinali, quindi al microbiota, di entrare all’interno della capsula;
- I fluidi che entrano vengono man mano assorbiti dall’idrogel disidratato, il quale inizia a gonfiarsi creando un ingombro che spinge la membrana di PDMS contro i fori di entrata. A questo punto il materiale raccolto rimane sigillato all’interno del dispositivo.
Quando alla fine del tragitto la capsula viene recuperata, il tappo che chiude l’involucro viene svitato ed il contenuto può finalmente essere sottoposto ad ulteriori colture batteriche ed analisi.
La specificità del sito di campionamento
Garantire che gli idrogel all’interno della capsula catturino i campioni solo quando questa arriva nella posizione target è fondamentale in primo luogo perché l’attivazione prima del dovuto potrebbe contaminare il campione a causa delle diverse popolazioni batteriche presenti nelle varie porzioni del tratto gastrointestinale; in secondo luogo perché, mentre la capsula viaggia attraverso lo stomaco, l’assorbimento di acidi gastrici può creare un ambiente ostile all’interno della matrice di idrogel. Per consentire un campionamento selettivo, è stato quindi utilizzato un rivestimento enterico che si dissolve solo al di sopra di una certa soglia di pH, in modo specifico nell’intestino tenue e nel colon. Tra i diversi polimeri studiati, il CAP (acetato di cellulosa ftalato) si è dimostrato il più idoneo per la sua facilità di sintesi e l’eccellente solubilità dipendente dal pH.
(a) Immagini dei singoli componenti del dispositivo prima della loro immersione in 3 soluzioni a differente pH; (b) Capsula intera all’interno delle 3 soluzioni con diverso pH e per diverse durate di tempo. La soluzione Verde simula la saliva, quella Rossa l’acido gastrico, quella Blu i liquidi intestinali; (c) Riapertura della capsula ed estrazione dell’idrogel. Come mostrato, gli involucri a contatto con saliva e acido gastrico sono rimasti intatti mentre, il rivestimento immerso nel fluido intestinale si è sciolto, facendo sì che l’idrogel assorbisse il colorante blu.
Protezione del campione
La buona conservazione del campione biologico e quindi la sopravvivenza dei batteri, è possibile non solo grazie ai nutrienti contenuti nella rete polimerica dell’idrogel, ma anche grazie all’elevata permeabilità ai gas della membrana PDMS.
Ciò non è scontato viste le difficoltà, evidenziate nei precedenti esperimenti, di mantenere vitale e qualitativamente invariato il campione all’interno delle prime capsule testate. Queste agivano in modo differente in quanto effettuavano un campionamento di tipo attivo: il prelievo avveniva grazie all’energia fornita da una batteria. In questo caso, però, non vi era solo un rischio di malfunzionamento delle batterie, ma perfino la possibilità che queste potessero rilasciare dei componenti caustici e quindi tossici sia per il campione appena raccolto che per l’organismo umano. È per questo che è nata l’esigenza di un approccio diverso, con un sistema che si serve di un meccanismo di attivazione passivo. Tutto ciò ha permesso, oggi, di dar vita a un dispositivo compatto, economico (il costo per ogni capsula è di circa un dollaro) e sicuro.
Prospettive future
Confermate le ottime capacità e l’indubbia utilità di questa piccola capsula intelligente, i nuovi lavori scientifici sono già volti alla creazione di altri involucri biodegradabili in grado di dissolversi in nuovi siti target, permettendo anche lo studio attraverso modelli animali, i quali spesso presentano un differente microbiota intestinale rispetto a quello dell’uomo. Ciò consentirà di studiare più a fondo le patologie gastroenteriche e di sfruttare maggiormente le caratteristiche farmacocinetiche dei medicinali assunti per via orale.
Fonti e approfondimenti
- Smart capsule for non-invasive sampling and studying of the gastrointestinal microbiome – pubs.rsc.org
- Swallowing this colonoscopy-like bacteria grabber could reveal secrets about your health – www.purdue.edu
- Rahim Rahimi Assistant Professor of Materials Engineering
- Correlation between the human fecal microbiota and depression – pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Real-time PCR quantitation of clostridia in feces of autistic children – pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Correlation between the human fecal microbiota and depression – onlinelibrary.wiley.com
