Электрокапсула впитала жидкость и простимулировала желудок свиньи

Ученые из США разработали проглатываемую капсулу, которая стимулирует желудок током. Это может быть полезно при нарушениях аппетита и заболеваниях желудочно-кишечного тракта. Электрод капсулы контактирует со слизистой, пока сама капсула отводит от электрода желудочный сок. В экспериментах капсула увеличила синтез гормона голода в желудке свиней. Работа опубликована в Science Robotics.

Электростимуляцию желудка используют, например, для лечения гастропареза. При этом заболевании пища остается в желудке слишком долго, из-за этого у больных возникает рвота, вздутие живота, диспепсия. Гастропарез чаще бывает у людей с диабетом и его связывают с невропатией. Электроды имплантируют во внешнюю серозную оболочку желудка, так как стимулировать слизистую оболочку трудно — мешает жидкость. Желудок от такой стимуляции не начинает опорожняться быстрее, однако симптомы становятся слабее. Кроме того, электростимуляция желудка может активировать нейроны блуждающего нерва и влиять на активность мозга. Однако инвазивность этой процедуры усложняет ее и несет в себе риски.

Халил Рамади (Khalil Ramadi) из Медицинской школы Гарвардского университета и его коллеги разработали проглатываемую капсулу для электростимуляции желудка. Она сама отводит жидкость от контактов электрода и локально стимулирует слизистую оболочку — в итоге усиливается синтез грелина — гормона голода. Грелин воздействует на центры насыщения и голода в гипоталамусе, а агонисты грелина исследуются как средства от тошноты и рвоты. Такая капсула могла бы помочь людям с нарушениями аппетита или с расстройствами пищевого поведения.

Чтобы электрод нормально контактировал со слизистой оболочкой желудка, исследователям нужно было позаботиться об отведении жидкости. Они вдохновились кожей австралийской пустынной ящерицы Moloch horridus, названной в честь языческого божества Молоха. Когда вода попадает на кожу Молоха, она по капиллярным каналам между чешуйками поступает ко рту ящерицы — и та ее пьет. Исследователи сделали такие же капилляры на поверхности своей капсулы — чтобы желудочный сок по ним отводился от электрода, контактирующего со слизистой.

Размер капсулы — 9 × 15 миллиметров, а состоит она из внутренней электроники, питающих батарей и электрода, намотанного вокруг капсулы по спирали. Авторы вычислили оптимальную форму и размер каналов — прямоугольные поперечные каналы шириной 1 миллиметр и глубиной 0,6 миллиметров. Чтобы капсула еще лучше впитывала жидкость, авторы обработали ее поверхность кислородной плазмой, сделав ее гидрофильной.

Сначала ученые простимулировали желудки свиней обычным методом с помощью эндоскопических золотых зондов, которые установили вдоль большей кривизны желудка. Чтобы понять, какими будут нейрогормональные эффекты, авторы меняли параметры стимуляции. Длительность импульса меняли с 0,3 до 3 миллисекунд, частота составляла 14 герц, амплитуда — от 0,5 до 5 миллиампер, а время стимуляции — от 5 до 60 минут. Параметры обычной электростимуляции желудка — 0,33 миллисекунд, 14 герц и 5 миллиампер. Электроды касались стенок желудка всегда в одних и тех же местах, а контактное давление не менялось.

Уже спустя 5 минут стимуляции уровень грелина в плазме животных вырос на 45,5 пикограмм на миллилитр по сравнению с контрольными свиньями. За 20 минут стимуляции уровень гормона в крови стимулируемых свиней поднялся на 70 микрограмм на миллилитр и оставался таким на протяжении еще 40 минут, а у контрольных — упал на 80 пикограмм на миллилитр за час. Возможно, снижение в контрольной группе связано с воздействием анестетиков и эндоскопического вмешательства.

Стимулы длительностью 0,3 миллисекунды и аплитудой 0,5 миллиампер меняли уровень грелина сильнее всего. В отличие от мышечного, нейронное возбуждение достигается при более коротких импульсах и меньшей амплитуде.

Стимуляция влияла и на другие гормоны — уровни глюканоподобного пептида-1, регулирующего секрецию инсулина, и гастрина, который стимулирует выделение желудочного сока, снижались. Но уровни пептида YY и желудочного ингибирующего полипептида оставались неизменными.

После этого исследователи стимулировали желудок свиней с перерезанным блуждающим нервом — нервом, который соединяет мозг со всеми внутренними органами. Стимуляция не повлияла на уровни грелина и других гормонов. Это, по словам авторов, говорит о том, что для контроля уровня грелина в крови сигналы от желудка по блуждающему нерву должны поступать в мозг, а от мозга — в желудок.

Наконец, ученые ввели в желудки анестезированных свиней капсулы. Капсулы вводили с помощью эндоскопии, а перед этим их поместили в изомальтовую оболочку. Под действием желудочного сока за несколько минут оболочка растворялась — и высвобождала капсулу. Такая стимуляция повысила уровень грелина в крови свиней на 74,7 пикограмм на миллилитр в течение 10 минут, а у контрольных животных уровень гормона за это время снизился на 29,8 пикограмм на миллилитр. Уровни других гормонов не менялись.

Капсулы хорошо переносились, оставались в желудке свиней в течение одного дня, а затем — выводились естественным путем в течение двух недель. Гистологическое исследование мест стимуляции не обнаружило повреждений и кровотечений — это значит, что такая непродолжительная стимуляция безопасна. Авторы считают, что с помощью таких капсул можно будет лечить метаболические, желудочно-кишечные и нервно-психические расстройства.

Существуют и другие капсулы, которые воздействуют на желудочно-кишечный тракт, стоит их только проглотить. Например, одно такое устройство доставило в желудок свиней инсулин, другое — заставило их желудок сокращаться с помощью тока.