چالش‌های پایش میکروبیوم دستگاه گوارش و کپسول پرینت سه‌بعدی نمونه‌برداری باکتری
میکروبیوم دستگاه گوارش نقشی حیاتی در سلامت انسان، تقویت ایمنی و کنترل بیماری‌های متابولیک دارد. با وجود این اهمیت، دسترسی به باکتری‌های بخش‌های میانی و بالایی روده همچنان یک چالش بالینی بزرگ است.
پزشکان عموماً از آزمایش مدفوع یا کولونوسکوپی استفاده می‌کنند؛ اما این ابزارها محدودیت‌های جدی دارند:
- تحلیل مدفوع: تنوع باکتریایی روده کوچک و معده را بازتاب نمی‌دهد و بیشتر نمایانگر انتهای روده بزرگ است.
- کولونوسکوپی: روشی تهاجمی است، نیاز به آماده‌سازی سنگین بیمار دارد و در صورت وجود التهاب یا خون‌ریزی موضعی، امکان نمونه‌برداری ایمن را سلب می‌کند.
- کپسول‌های آندوسکوپی مرسوم: این ابزارها تنها دوربین حمل می‌کنند و قابلیت جذب فیزیکی میکروارگانیسم‌ها را ندارند.
کپسول پرینت سه‌بعدی نمونه‌برداری باکتری
نوآوری دانشگاه پوردو: کپسول پسیو و یک‌دلاری
تیمی از مهندسان دانشگاه پوردو به سرپرستی دکتر رحیم رحیمی، با بهره‌گیری از ماژول پرینتر زیستی سه‌بعدی، کپسولی خودکار، بدون باتری و بسیار ارزان (حدود یک دلار) طراحی کردند. این سامانه هوشمند داروشناختی در تمام طول لوله گوارش، از دهان و مری تا روده باریک و کولون، بدون نیاز به مدارهای الکترونیکی پیچیده نمونه‌برداری انجام می‌دهد. نتایج این پژوهش در ژورنال RSC Advances منتشر شد.
جنس بدنه کپسول از رزین فوتوپلیمر زیست‌سازگار است که کاربرد گسترده‌ای در ساخت ایمپلنت‌ها و ابزارهای دندان‌پزشکی دارد. ابعاد هندسی این کپسول کاملاً مشابه قرص‌های درمانی متداول است و حرکات پریستالتیک طبیعی دستگاه گوارش آن را به جلو می‌راند.
سازوکار مکانیکی نمونه‌برداری و آب‌بندی خودکار
عملکرد کپسول بر پایه تعامل فیزیکی و شیمیایی هوشمند میان سه جزء اصلی استوار است:
- پوشش زیست‌پذیر حساس به pH: کلاهک کپسول از پلیمر انتریک پوشیده شده است. این لایه در برابر اسید خشن معده مقاومت می‌کند؛ اما با ورود به محیط قلیایی هدف در روده باریک، سریع حل می‌شود و ورودی محفظه را باز می‌کند.
- مکش سیال با هیدروژل فوق‌جاذب: پس از انحلال کلاهک، مایعات بیولوژیکی و باکتری‌های آزاد روده به درون محفظه نفوذ می‌کنند. یک لایه هیدروژل متورم‌شونده بر پایه پلی‌آکریلیک اسید و پلی‌آکریل‌آمید مایع را فورا جذب می‌کند.
- انسداد خودکار با دیافراگم PDMS: افزایش حجم هیدروژل فشاری مکانیکی بر غشای انعطاف‌پذیر پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS) وارد می‌آورد. این غشا دهانه ورودی کپسول را محکم مسدود می‌کند و مانع از آلودگی نمونه در ادامه‌ی مسیر گوارش می‌شود.
نتایج آزمایشگاهی و پایش بالینی
آزمایش‌های درون‌تنی این کپسول روی مدل‌های حیوانی خوک با موفقیت کامل انجام شد. کپسول پس از پیمایش کامل کانال گوارشی دفع شد و نمونه‌های زیستی آن بدون نشت باکتریایی استخراج گردید. آنالیز توالی‌یابی ژنتیکی، حضور گونه‌های زیستی هدف را بدون آلودگی متقاطع تأیید کرد.
این فناوری گامی بزرگ به سوی شناسایی زودهنگام بیماری‌های روده، اختلالات متابولیک و تنظیم رژیم‌های درمانی میکروبیوم‌محور به شمار می‌رود.
منابع کپسول پرینت سه‌بعدی نمونه‌برداری باکتری
Waimin JF, Najati S, Jiang H, Qiu J, Wang J, Verma MS, Rahimi R. Smart capsule for non-invasive sampling and studying of the gastrointestinal microbiome. RSC Advances. 2020;10(28):16313–16322.
3DMedNet: 3D-printed capsule could collect bacteria from throughout the gastrointestinal tract