По мере того, как пища движется по пищеварительному тракту, сокращающиеся мышцы вдоль тракта обеспечивают плавное прохождение пищи. Потеря этой подвижности может привести к кислотному рефлюксу, неспособности пищи выйти из желудка или запорам.

Нарушения моторики обычно диагностируются с помощью катетера, содержащего датчики давления, которые могут воспринимать сокращения желудочно-кишечного тракта. Исследователи Массачусетского технологического института в настоящее время разработали новое устройство, которое могло бы предложить более дешевую и простую в производстве альтернативу существующей диагностике нарушения моторики ЖКТ, вдохновленную конструкцией древней технологии инков, кипу — набора узловатых шнуров, используемых для передачи информации.

В ходе испытаний на животных исследователи Массачусетского технологического института и их сотрудники из Brigham and Women’s Hospital показали, что их простое устройство, силиконовая трубка, наполненная жидким металлом и многократно завязанная, производит измерения, аналогичные тем, которые производятся с помощью современной диагностической техники. , известный как манометрия высокого разрешения.

«Это действительно простая и недорогая установка, но мы можем проводить измерения, для которых обычно требуются устройства стоимостью в тысячи долларов и гораздо более сложный инструмент», — говорит Джованни Траверсо, сотрудник компании Karl van Tassel. Развитие карьеры Ассистент профессора машиностроения в Массачусетском технологическом институте, гастроэнтеролог в Brigham and Women’s Hospital и старший автор исследования.

Ученые-исследователи Массачусетского технологического института Кеванг Нан и Сахаб Бабаи являются ведущими авторами исследования, опубликованного сегодня в журнале Nature Biomedical Engineering .

Диагностика нарушения моторики

Сокращения желудочно-кишечного тракта имеют решающее значение для продвижения пищи по всему тракту, и прерывание этих сокращений в любой момент может вызвать проблемы со здоровьем. Золотой стандарт диагностики манометрии можно использовать для измерения того, правильно ли работают мышцы желудочно-кишечного тракта, чтобы генерировать эти волны.

«Манометрия с высоким разрешением может измерять давление и скорость, с которой распространяются сократительные волны, но эти системы довольно дороги, в диапазоне десятков тысяч долларов, и требуют обслуживания и стерилизации между пациентами», — говорит Траверсо.

Траверсо (выросший в Перу) и Нэн думали, что технология инков кипу может помочь в разработке более простой диагностики. Устройства кипу, состоящие из цветных шнуров, завязанных разными способами, использовались инками и другими древними цивилизациями Анд для записи информации и отправки сообщений до того, как была изобретена письменность.

«Наша цель состояла в том, чтобы сделать устройство, сравнимое с существующими коммерчески доступными датчиками давления на основе катетера, но в то же время снизить стоимость и упростить его производство и развертывание», — говорит Нэн.

Исследователи начали с простого катетера из силикона, который они заполнили эвтектикой галлия-индия, жидким металлом , нетоксичным в небольших количествах, и запечатали его с обоих концов. В незавязанном состоянии эта трубка может реагировать на изменения давления, но недостаточно чувствительна для обнаружения изменений давления в желудочно- кишечном тракте.

Однако, когда они установили узлы с интервалами вдоль трубки, исследователи обнаружили, что катетер стал гораздо более чувствительным к изменениям давления и мог обнаруживать давление примерно до 200 миллиметров ртутного столба, что примерно соответствует самому высокому давлению, наблюдаемому в пищеварительном тракте человека.

Эта повышенная чувствительность связана с тем, что узлы удлиняют поперечное сечение трубки, облегчая ее сжатие, как показали исследователи с помощью численных моделей. Кроме того, когда трубка завязана узлом, три или четыре секции трубки укладываются друг на друга, что еще больше повышает ее чувствительность к изменениям давления.

Исследователи также показали, что чувствительность к давлению может варьироваться в зависимости от типа узла и того, насколько крепко он завязан. Для использования в желудочно-кишечном тракте исследователи использовали узлы , расположенные на расстоянии около 1 сантиметра друг от друга, чтобы соответствовать расстоянию между датчиками давления в манометре, но, по словам исследователей, их можно было бы разместить ближе друг к другу для других применений.

В тестах на животных исследователи использовали датчик, вдохновленный кипу, для измерения давления в пищеводе при проглатывании пищи. Они также измерили рефлекс, известный как ректоанальный тормозной рефлекс (RAIR). В обоих тестах новые устройства генерировали измерения давления, аналогичные манометрическим методам золотого стандарта.

Более простая альтернатива

Исследователи также показали, что устройства могут выдерживать высокие температуры и могут обрабатываться в автоклаве, обычном медицинском инструменте, используемом для стерилизации предметов с помощью тепла и давления. Это дает им преимущество перед существующими манометрическими катетерами, которые нельзя помещать в автоклав и которые необходимо подвергать химической дезинфекции. Кроме того, устройства настолько недороги в изготовлении, что их можно выбрасывать после каждого использования, если автоклавы недоступны.

«Они очень быстро строятся и очень дешевы», — говорит Нэн. «Еще одна причина сделать гастроинтестинальные манометры дешевыми и одноразовыми — способствовать децентрализованной диагностике. Здесь дешевизна облегчает доступность за счет снижения стоимости, а одноразовость еще больше способствует общественному признанию за счет снижения затрат на техническое обслуживание и уменьшения осложнений во время использования».

Датчики, вдохновленные кипу, могут быть полезны в местах, где нет доступа к современным технологиям манометрии, а также в более промышленно развитых районах в качестве менее дорогой и простой в использовании альтернативы манометрии.

«Я думаю, что этот вид диагностики можно широко применять как в развивающихся, так и в развитых странах», — говорит Траверсо. «Следующим шагом является определение потенциальных партнеров , которые помогут нам в их производстве, а затем их тестирование на пациентах».