Una cápsula ingerible que libera una corriente eléctrica puede estimular la liberación de la hormona grelina. Desarrollada en el MIT, la cápsula podría resultar útil para tratar enfermedades que cursen con náuseas o pérdida del apetito, como la anorexia o la caquexia. Crédito: Cortesía de los investigadores.
El dispositivo, que usa electricidad para estimular la producción de hormonas en el estómago, podría ayudar a aliviar las náuseas y contrarrestar la pérdida de apetito.
Las hormonas liberadas por el estómago, como la grelina, juegan un papel clave en la estimulación del apetito. Estas hormonas son producidas por células endocrinas que forman parte del sistema nervioso entérico, que controla el hambre, las náuseas y la sensación de saciedad.
Researchers have developed an ingestible capsule called FLASH (Fluid-wicking Active Stimulation and Hormone modulation) that can electronically stimulate the hunger-regulating hormone ghrelin in pigs. Inspired by the fluid-wicking skin of the Australian thorny devil lizard, the capsule emits electronic signals and moves through the body, eventually being excreted. This proof-of-concept study demonstrates the potential of ingestible electroceuticals for treating gastrointestinal, neuropsychiatric, and metabolic disorders. The team plans to continue researching for human application and explore treatment options for eating disorders and metabolic diseases. Credit: Giancarlo Traverso (GT Reel Productions)
“This study helps establish electrical stimulation by ingestible electroceuticals as a mode of triggering hormone release via the GI tract,” says Giovanni Traverso, an associate professor of mechanical engineering at MIT, a gastroenterologist at Brigham and Women’s Hospital, and the senior author of the study. “We show one example of how we’re able to engage with the stomach mucosa and release hormones, and we anticipate that this could be used in other sites in the GI tract that we haven’t explored here.”
Khalil Ramadi SM ’16, PhD ’19, a graduate of the Department of Mechanical Engineering and the Harvard-MIT Program in Health Sciences and Technology who is now an assistant professor of bioengineering at the New York University (NYU) Tandon School of Engineering and the director of the Laboratory for Advanced Neuroengineering and Translational Medicine at NYU Abu Dhabi, and James McRae, an MIT graduate student, are the lead authors of the paper, which was published on April 26 in the journal Science Robotics.
Electrical stimulation
The enteric nervous system controls all aspects of digestion, including the movement of food through the GI tract. Some patients with gastroparesis, a disorder of the stomach nerves that leads to very slow movement of food, have shown symptomatic improvement after electrical stimulation generated by a pacemaker-like device that can be surgically implanted in the stomach.
Doctors had theorized that the electrical stimulation would provoke the stomach into contracting, which would help push food along. However, it was later found that while the treatment does help patients feel better, it affected motility to a lesser degree. The MIT team hypothesized that the electrical stimulation of the stomach might be leading to the release of ghrelin, which is known to promote hunger and reduce feelings of nausea.
The capsule surface consists of grooves with a hydrophilic coating. These grooves function as channels that draw fluid away from the stomach tissue. Credit: Courtesy of the researchers
To test that hypothesis, the researchers used an electrical probe to deliver electrical stimulation in the stomachs of animals. They found that after 20 minutes of stimulation, ghrelin levels in the bloodstream were considerably elevated. They also found that electrical stimulation did not lead to any significant inflammation or other adverse effects.
Once they established that electrical stimulation was provoking ghrelin release, the researchers set out to see if they could achieve the same thing using a device that could be swallowed and temporarily reside in the stomach. One of the main challenges in designing such a device is ensuring that the electrodes on the capsule can contact the stomach tissue, which are coated with fluid.
To create a drier surface that electrodes can interact with, the researchers gave their capsule a grooved surface that wicks fluid away from the electrodes. The surface they designed is inspired by the skin of the Australian thorny devil lizard, which uses ridged scales to collect water. When the lizard touches water with any part of its skin, water is transported by capillary action along the channels to the lizard’s mouth.
«Nos inspiramos en eso para incorporar texturas superficiales y patrones en el exterior de esta cápsula», dice McRae. «Esta superficie puede manejar fluido que podría bloquear los electrodos para que no toquen el tejido del estómago, por lo que puede proporcionar estimulación eléctrica de manera confiable».
La superficie de la cápsula consta de ranuras con un revestimiento hidrofílico. Estos surcos funcionan como canales que drenan el líquido del tejido estomacal. Dentro del dispositivo hay componentes electrónicos alimentados por baterías que producen una corriente eléctrica que fluye a través de electrodos en la superficie de la cápsula. En el prototipo utilizado en este estudio, la corriente funciona todo el tiempo, pero las versiones futuras podrían diseñarse para que la corriente se pueda encender y apagar de forma inalámbrica, dicen los investigadores.
estimulación hormonal
Los investigadores probaron su cápsula administrándola en el estómago de animales grandes y encontraron que la cápsula producía un aumento sustancial en los niveles de grelina en la sangre.
«Hasta donde sabemos, este es el primer ejemplo del uso de estímulos eléctricos a través de un dispositivo ingerible para aumentar los niveles endógenos de hormonas en el cuerpo, como la grelina. Y, por lo tanto, tiene el efecto de usar los propios sistemas del cuerpo en lugar de introducir agentes externos”, dice Ramadi.
Dentro del dispositivo hay componentes electrónicos alimentados por baterías que producen una corriente eléctrica que fluye a través de electrodos en la superficie de la cápsula. Crédito: Cortesía de los investigadores.
Los investigadores encontraron que para que esta estimulación funcione, el nervio vago, que controla la digestión, debe estar intacto. Ellos teorizan que los impulsos eléctricos se transmiten al cerebro a través del nervio vago, que luego estimula las células endocrinas en el estómago para producir grelina.
El laboratorio de Traverso ahora planea explorar el uso de este enfoque en otras partes del tracto gastrointestinal, y los investigadores esperan probar el dispositivo en pacientes humanos dentro de los próximos tres años. Si se desarrolla para su uso en pacientes humanos, este tipo de tratamiento podría potencialmente reemplazar o complementar algunos de los medicamentos existentes que se usan para prevenir las náuseas y estimular el apetito en personas con caquexia o anorexia, dicen los investigadores.
«Es un dispositivo relativamente simple, por lo que creemos que es algo que podemos introducir en los humanos en un plazo relativamente corto», dice Traverso.
Para obtener más información sobre este revolucionario dispositivo, consulte Ingestible Electroceutical Tames Hunger Hormones.
Referencia: «Cápsulas electrocéuticas ingeribles, absorbentes de fluidos y bioinspiradas para la modulación hormonal reguladora del hambre» por Khalil B. Ramadi, James C. McRae, George Selsing, Arnold Su, Rafael Fernandes, Maela Hickling, Brandon Rios, Sahab Babaee, Seokkee Min, Declan Gwynne, Neil Zixun Jia, Aleyah Aragon, Keiko Ishida, Johannes Kuosmanen, Josh Jenkins, Alison Hayward, Ken Kamrin y Giovanni Traverso, 26 de abril de 2023 Robótica científica.
DOI: 10.1126/scirobotics.ade9676
La investigación fue financiada por la Beca de Apoyo (Básica) del Instituto Koch del Instituto Nacional del Cáncer, Instituto Nacional para la Diabetes y Enfermedades Digestivas y Renales, División de Ingeniería, Universidad de Nueva York Abu Dhabi, una beca de investigación de posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias, Novo Nordisk y el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.