Innovaciones tecnológicas que contribuirán a una mejor salud intestinal

Autor: Chris Van Hoof

"Somos lo que comemos" es un dicho muy conocido y se refiere a la idea de que la comida influye en la salud de una persona. Aparte de la predisposición genética, las opciones nutricionales son un factor importante que contribuyen a los trastornos gastrointestinales (GI) y al síndrome metabólico (SM), una condición de inflamación de bajo grado relacionada con trastornos crónicos como la hipertensión, los problemas cardiovasculares y la diabetes tipo 2. Por lo tanto, nuestros hábitos alimenticios y elecciones nutricionales son esenciales para mantener la salud y cruciales para los pacientes con trastornos metabólicos.

El dominio de los trastornos gastrointestinales y el síndrome metabólico es amplio y complejo. Aunque los trastornos gastrointestinales (como la enfermedad inflamatoria intestinal (EII) y la enfermedad de Crohn) afectan a más del 20% de la población mundial, su progresión no siempre se comprende completamente. Además, las quejas suelen ser muy genéricas y difíciles de distinguir. Para capturar la progresión de la enfermedad, existe una creciente demanda de biomarcadores en el intestino . Los biomarcadores son indicadores objetivos y medibles de una enfermedad o proceso biológico. Hay biomarcadores identificados para medir en heces, sangre y saliva, pero medirlos directamente en el intestino es nuevo y proporcionaría datos locales. La detección temprana y las intervenciones dietéticas personalizadas podrían reducir la incidencia, la morbilidad y los costos de salud, y mejorar la calidad de vida de las personas, pero luego necesitamos las herramientas adecuadas . Chris Van Hoof , vicepresidente de imec , describe las innovaciones tecnológicas que contribuirán a una mejor salud intestinal y, en última instancia, a una vida más saludable.

Una pastilla para la salud intestinal

La forma más eficaz de obtener datos del tracto gastrointestinal es seguir el mismo camino que la comida. Las soluciones de cámaras actuales como la endoscopia no pueden revelar trastornos funcionales como el síndrome del intestino irritable (SII) y los síndromes de motilidad, que requieren biomarcadores químicos. Del mismo modo, el microbioma individual de una persona sigue siendo un territorio en gran parte inexplorado. El microbioma consta de billones de bacterias que viven en el intestino y afectan la salud y la digestión. Su composición es diferente para todos, y lo que comemos también afecta al microbioma de diferentes formas. Incluso los alimentos con valores nutricionales similares pueden estimular o reducir cepas bacterianas particulares en el intestino, dependiendo de quién los consuma.

Imec está desarrollando tecnología ingerible para medir procesos mecánicos, químicos y eléctricos en el intestino como respuesta a estos desafíos. Los ingeribles son pequeños sensores que se ingieren y que vienen en dos sabores: detección o muestreo. La elección depende de la aplicación.

Los ingeribles sensibles tienen como objetivo recopilar información a medida que viajan por el sistema digestivo y enviar esta información a un receptor fuera del cuerpo . Podrían usarse de manera preventiva y para la interceptación de enfermedades, por ejemplo, al encontrar y rastrear marcadores relacionados con la salud metabólica y los problemas asociados. También podrían proporcionar información sobre la nutrición, los procesos digestivos y el metabolismo de una persona al monitorear los niveles de ciertos analitos como los ácidos grasos de cadena corta (AGCC) o los minerales de la dieta (por ejemplo, sodio, potasio, calcio). Entonces, el objetivo no está relacionado directamente con la detección de enfermedades, sino con capturar los desequilibrios (la llamada disbiosis si está relacionada con el microbioma) o los déficits nutricionales que a largo plazo podrían conducir a una enfermedad crónica.

Algunos metabolitos requieren un equipo grande y especializado para el análisis, como una configuración de cromatografía. Estas herramientas no se pueden miniaturizar fácilmente, ni hay necesidad de miniaturizarlas, ya que normalmente implican mediciones únicas o comprobaciones al azar. En esos casos, las píldoras de muestreo podrían proporcionar una alternativa, tomando muestras y midiendo marcadores de la ubicación deseada . También podrían usarse para obtener diferentes puntos de medición desde diferentes ubicaciones. Estas píldoras de muestreo deben recolectarse para análisis de laboratorio, por ejemplo, para estudiar la composición del microbioma.

Los ingeribles tienen como objetivo medir los parámetros intestinales a nivel local.

Pastillas inteligentes repletas de tecnología inteligente

Desarrollar píldoras inteligentes para detectar y tomar muestras en el intestino es un desafío. Primero, el ingerible debe ser muy pequeño desde el punto de vista de la comodidad y la seguridad. La gama propuesta de posibilidades de detección en el intestino en tal factor de forma aún no se ha logrado. Además, el intestino y especialmente el estómago son un entorno hostil que podría afectar a cualquier sensor a medida que viaja a través del tracto gastrointestinal. Además, localizar el sensor en un órgano tan complejo no es trivial, porque no tenemos ni un "mapa" del tracto gastrointestinal de una persona ni un "GPS". Finalmente, recuperarlo (si es necesario) aún requiere una solución elegante.

Imec está elaborando los ingredientes para estos ingeribles . A nivel de sensor, los investigadores quieren poder estudiar los movimientos mecánicos del tracto gastrointestinal, junto con los estímulos eléctricos que gobiernan las contracciones musculares y los procesos químicos (que involucran hormonas y enzimas) que descomponen los alimentos. Por lo tanto, se necesitan sensores multimodales que combinen sensores electroquímicos y basados en ondas . Además, las limitaciones físicas reducen la capacidad de la batería, especialmente para los dispositivos multisensor y las píldoras de muestreo, donde la mayor parte del volumen se dedica a esa funcionalidad. Es por eso que las interfaces en miniatura de potencia ultrabaja son cruciales para esta aplicación. Además, los datos ya podrían procesarse (parcialmente) utilizando algoritmos y componentes electrónicos de procesamiento de señales en el propio dispositivo para reducir la cantidad de datos brutos que deben transmitirse de forma inalámbrica a un dispositivo portátil u otro dispositivo móvil. Para la comunicación inalámbrica, los transceptores de radio de potencia ultrabaja se dirigen específicamente a aplicaciones emergentes con limitaciones de potencia y volumen, como los ingeribles.

En la actualidad, i mec ya ha diseñado varios bloques de construcción y los ha integrado en tamaño de cápsula . El dispositivo tiene una duración de batería de +6 días cuando mide y transmite datos cada 3 segundos de forma inalámbrica.

Las píldoras inteligentes son pequeñas pero están repletas de tecnología .

Localizar y recuperar

La píldora resultante requiere una cubierta protectora para sobrevivir a ácidos del estómago, y llegar y operar en la región de interés. Una dificultad adicional es que esta cubierta debe "liberarse" en la ubicación de destino en el intestino para que el ingerible pueda realizar su función de detección o muestreo. Al final, cuando el ingerible sale del cuerpo, es necesario recolectar las píldoras de muestreo para obtener las muestras para su análisis. Aunque la recopilación no es estrictamente necesaria para detectar píldoras, ya que ya han enviado sus datos, puede ser preferible o necesario reciclar por razones de seguridad y ambientales. Finalmente, un desafío importante en el desarrollo de ingeribles es ubicar la píldora a medida que avanza por el sistema digestivo . El tracto gastrointestinal es un tubo largo y complejo con intestinos que están intrincadamente doblados y doblados, que difieren de una persona a otra. Para muchas aplicaciones, el posicionamiento es una funcionalidad crucial ya que ayuda en una estrategia de tratamiento. Por ejemplo, en la enfermedad de Crohn no solo ayuda a localizar la inflamación sino también a medir su alcance. Una de las estrategias para lograr la localización en el intestino implica la medición del pH, ya que hay cambios de pH significativos en el tracto GI desde el estómago hasta el colon. Se están investigando técnicas de localización más detalladas.

Imec y su socio de I+D de OnePlanet, Wageningen University & Research, están probando actualmente un dispositivo prototipo en un sistema intestinal artificial que simula el entorno intestinal . El objetivo de las pruebas en este modelo in vitro es evaluar la sensibilidad del sensor en un entorno hostil, evaluar la estabilidad del sensor a lo largo del tiempo, evaluar su especificidad y verificar las características de seguridad.

El baño para la salud

Los ingeribles son ideales para mediciones a corto plazo, incluso en tiempo real, que ayudan con un diagnóstico o una evaluación para una intervención. Imec y sus socios de investigación OnePlanet también prevén herramientas sencillas que permitan un monitoreo frecuente a largo plazo para la prevención a largo plazo. No eligieron la tecnología portátil porque el usuario todavía tiene la responsabilidad de usarla y porque todavía representa un obstáculo para ciertas personas. Por otro lado, todo el mundo usa el baño.

El "inodoro inteligente" es parte de un proyecto para desarrollar un "baño para la salud" con tecnología de sensores incorporada. Es una plataforma de investigación para medir parámetros de salud en la comodidad del hogar. La visión es que el baño, un lugar que se visita todos los días, realice controles diarios. Las mediciones se pueden realizar de forma discreta a través de un inodoro inteligente u otros accesorios de baño, mientras que la retroalimentación personal se puede proporcionar en el lugar, basada en mediciones instantáneas o tendencias en evolución a lo largo del tiempo.

En la primera versión, e l inodoro inteligente integra sensores para medir la función cardiovascular como ECG (electrocardiograma) y PPG (fotopletismografía). En la próxima generación, se agregará tecnología para el análisis de orina y heces para estudiar los marcadores de deshidratación o estreñimiento.

La localización del ingerible es crucial para determinar dónde se encuentra la inflamación.

Comida para el pensamiento

Tener un sensor ingerible y un baño inteligente no significa que el trabajo esté completo. El valor agregado de la tecnología de sensores propuesta radica en los conocimientos, las tendencias y los modelos resultantes que podría construir en función de los datos que generan los sensores. Los ingeribles son vehículos de investigación que permiten realizar estudios longitudinales a gran escala a nivel poblacional, lo cual es buscado en la investigación médica, nutricional y farmacéutica. El inodoro inteligente sirve como herramienta de investigación en las actividades de investigación de OnePlanet, lo que permite a los investigadores seguir periódicamente la salud metabólica y las dolencias relacionadas con la nutrición de las personas en el hogar.

El Centro de Investigación OnePlanet está planeando un estudio extenso sobre alimentos y hábitos alimenticios, aprovechando los ingeribles y las tecnologías inteligentes de detección de baños de imec. OnePlanet es un centro de innovación para la tecnología alimentaria, sanitaria y agrícola, y cuenta con una colaboración entre imec y las universidades holandesas Radboud University, Wageningen University & Research (WUR) y el hospital académico Radboudumc. Los resultados del estudio serán un punto de anclaje para proporcionar retroalimentación sobre la salud y, en última instancia, para estimular cambios de comportamiento.

Este es un gran desafío. Así como llevar un Fitbit no te pone más en forma, tener un inodoro inteligente no te hará cambiar automáticamente tus hábitos alimenticios. Junto con científicos del comportamiento y expertos en nutrición, OnePlanet explora formas de brindar asesoramiento personalizado a las personas . Todo el mundo sabe que la comida sana significa comer fibras y beber suficiente agua. Sin embargo, las consecuencias negativas de una mala alimentación pueden ser personales. Las mediciones individuales hacen que sea más fácil proporcionar comentarios individuales que se pegarán mejor que los consejos genéricos.

El gemelo digital permite un asesoramiento dietético y de estilo de vida verdaderamente personalizado.

Tu gemelo digital

Los datos de los sensores de ingeribles y baños inteligentes, combinados con los datos contextuales correctos (por ejemplo, ¿qué están haciendo los sujetos en un momento determinado?), pero también el bienestar mental, el patrón de sueño o los niveles de dolor, proporcionan un rico conjunto de datos a partir del cual el estado de salud actual y futuro de se puede derivar una persona en particular . El "gemelo digital" de alguien puede predecir los efectos personales de los cambios en la dieta y el estilo de vida o puede ayudar con la detección temprana de enfermedades. El gemelo no solo ayuda al usuario a recibir comentarios sobre su salud, sino que también ayuda a los proveedores de atención profesional a formular consejos personalizados.

Debido a que todavía es un desafío conseguir el gemelo completo de un ser humano, los investigadores dividen el cuerpo en sistemas u órganos . La construcción de un gemelo más preciso requiere datos de medición longitudinal de toda la población sobre fisiología, comportamiento, microbioma y genómica. A partir de esta comparación entre personas, individuos y subgrupos que expresan comportamientos o fisiología similares, se pueden tipificar. Sin embargo, pasar de los datos a la sabiduría requiere un esfuerzo sustancial, por ejemplo, mediante la creación de canales de procesamiento automáticos y no supervisados que se dirigen a datos útiles y eliminan artefactos. Imec ya ha comenzado con esta plataforma digital.

Herramientas como los ingeribles y el baño inteligente son fundamentales para el desarrollo del gemelo, debido a los efectos personalizados de la nutrición y la salud intestinal en su salud general. El gemelo hará que el futuro de la nutrición sea verdaderamente personalizado.

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