Проглатываемое электронное устройство обнаруживает угнетение дыхания у пациентов
Диагностика нарушений сна, таких как апноэ, обычно требует, чтобы пациент провёл ночь в лаборатории сна, подключённый к различным датчикам и мониторам. Исследователи из MIT, Celero Systems и Университета Западной Виргинии надеются сделать этот процесс менее инвазивным, используя разработанную ими проглатываемую капсулу, которая может контролировать жизненные показатели изнутри ЖКТ пациента.
Капсула размером примерно с мультивитамин использует акселерометр для измерения частоты дыхания и частоты сердечных сокращений пациента. Помимо диагностики апноэ сна, устройство может быть полезно для обнаружения передозировок опиоидами у людей с высоким риском, говорят исследователи.
«Это захватывающее вмешательство, которое может помочь людям пройти диагностику и затем получить соответствующее лечение, если у них обструктивное апноэ сна», — говорит Джованни Траверсо, доцент машинной инженерии в MIT и гастроэнтеролог в больнице Brigham and Women’s. «Устройство также имеет потенциал для раннего обнаружения изменений дыхательного статуса, будь то результат опиатов или других состояний, которые можно контролировать, таких как астма или хроническая обструкция легких (ХОБЛ).»
В исследовании с участием 10 добровольцев-людей учёные показали, что капсулу можно использовать для мониторинга жизненных показателей и для обнаружения эпизодов апноэ сна, которые возникают, когда пациент многократно прекращает и вновь начинает дышать во время сна. Пациенты не сообщали о каких-либо побочных эффектах от капсулы, которая прошла через пищеварительный тракт без вреда.
Траверсо является одним из старших авторов исследования, наряду с Робертом Лангером, профессором Института MIT и членом Института Коха по интегративным исследованиям рака; Виктором Финомором, директором Центра исследований прикладной нейронауки и спортивной работоспособности в медицинской школе Университета Западной Виргинии; и Али Резаи, директором Института нейронаук Рокфеллера при медицинской школе Университета Западной Виргинии. Статья опубликована сегодня в журнале Device.
За последнее десятилетие Траверсо и Лангер разработали ряд проглатываемых датчиков, которые могут использоваться для мониторинга жизненных показателей и диагностики заболеваний ЖКТ, таких как замедление работы кишечника и воспалительные заболевания кишечника.
В новом исследовании основное внимание было уделено измерению жизненных показателей с использованием капсулы, разработанной Celero Systems, содержащей акселерометр, который улавливает небольшие движения, создаваемые биением сердца и расширением легких. Капсула также содержит две маленькие батареи и беспроводную антенну, которая передаёт данные на внешнее устройство, такое как ноутбук.
В тестах на животной модели исследователи обнаружили, что эта капсула может точно измерять частоту дыхания и частоту сердечных сокращений. В одном эксперименте они показали, что датчик мог обнаруживать угнетение дыхания, вызванное большой дозой фентанила, опиоидного препарата.
Исходя из этих результатов, исследователи решили далее испытать капсулу в клиническом исследовании в Институте нейронаук Рокфеллера Университета Западной Виргинии. Десять пациентов, включённых в исследование, были мониторированы с помощью проглатываемой капсулы, а также были подключены к датчикам, обычно используемым для мониторинга сна, чтобы исследователи могли сравнить показания обеих систем.
Исследователи обнаружили, что их проглатываемый датчик способен точно измерять как частоту дыхания, так и частоту сердечных сокращений, а также он зафиксировал эпизод апноэ сна у одного из пациентов.
«Что нам удалось показать — с помощью капсулы мы могли захватывать данные, которые соответствовали тому, что фиксировали традиционные трансдермальные датчики», — говорит Траверсо. «Мы также наблюдали, что капсула может обнаруживать апноэ, и это было подтверждено стандартными системами мониторинга, доступными в лаборатории сна.»
В этом исследовании учёные отслеживали сигналы, испускаемые капсулой, пока она находилась в желудке, но в предыдущем исследовании они показали, что жизненные показатели также можно измерять из других частей ЖКТ.
«Желудок обычно даёт одни из лучших сигналов, главным образом потому, что он близко расположен к сердцу и легким, но мы знаем, что их также можно улавливать и в других местах», — говорит Траверсо.
Никто из пациентов не сообщил о дискомфорте или вреде от капсулы. Рентгенологическое исследование, проведённое через 14 дней после проглатывания капсул, показало, что все они вышли из организма пациентов. Предыдущие работы исследовательской группы показали, что объекты похожего размера обычно проходят через пищеварительный тракт чуть более чем за один день.
Исследователи предполагают, что такого рода датчик может использоваться для диагностики апноэ сна менее инвазивным способом по сравнению с кожными датчиками, которые сейчас применяются. Его также можно применять для мониторинга пациентов при начале лечения апноэ, чтобы убедиться в эффективности терапии.
Компания Celero Systems, основанная Траверсо, Лангером, Джереми Раскином, профессором медицины Гарвардской медицинской школы, и Бенджамином Плессом, ныне гендиректором компании, разрабатывает датчики, которые могли бы использоваться для обнаружения апноэ сна или передозировки опиоидами.
«Мы знаем, что люди, пережившие передозировку, находятся в группе повышенного риска повторения, поэтому таких лиц можно было бы мониторить более тщательно, чтобы в случае повторной передозировки им могли оказать помощь», — говорит Траверсо.
В будущих работах исследователи надеются включить в устройство агент для обращения передозировки, такой как налмефен, чтобы высвобождение препарата активировалось при замедлении или остановке дыхания. Они также работают над стратегиями продления времени, в течение которого капсулы могли бы находиться в желудке.
Исследование финансировалось карьерной кафедрой Карла ван Тассела, кафедрой машиностроения MIT и Celero Systems.
Авторы статьи также включают Бенджамина Плесса, Джеймса Махони, Джастина Купека, Роберта Стэнсбери, Дэниела Бахера, Шеннон Шуетц и Элисон Хейворд.
Giovanni Traverso, Victor Finomore, James Mahoney, Justin Kupec, Robert Stansbury, Daniel Bacher, Benjamin Pless, Shannon Schuetz, Alison Hayward, Robert Langer, Ali Rezai. First-in-human trial of an ingestible vitals-monitoring pill. Device, 2023; 1 (5): 100125 DOI: 10.1016/j.device.2023.100125
