Hidrogeles degradables a la luz como desencadenantes dinámicos en dispositivos GI. (A) Esquema de la inserción e inflado del globo (izquierda), degradación a través de una fuente de luz LED endoscópica o sin ataduras (centro), y posterior deflación (derecha). (B) Fundición de pines de gel oNB-PAAM (arriba) y globo ensamblado sellado con un pasador de gel fundido (abajo). Crédito de la foto:Ritu Raman, MIT. (C) El globo se inserta a través del esófago y se hincha en el estómago como se observa endoscópicamente 1 min después de la inserción (arriba) y radiográficamente (abajo) inmediatamente después de la inserción y después de 6 horas in vivo. (D) Diseño de tapa LED que se puede colocar en el extremo insertado de un endoscopio. Los cables para alimentar los LED se enroscan a través del endoscopio, y un orificio en la matriz mantiene la visibilidad a través de la cámara integrada del endoscopio. Un imán en el centro de la matriz permite el acoplamiento a la pieza metálica unida al extremo sellado del globo. (E) Diseño de LED en forma de pastilla ingerible. La representación del diseño asistido por computadora (CAD) muestra el proceso de ensamblaje para LED ingeribles:Baterías, DIRIGIÓ, y el imán se insertan en un cuerpo cilíndrico hueco impreso en 3D y se sellan con epoxi en un dispositivo hermético. El LED se enciende cuando se empuja una lengüeta conductora de metal en la ranura en el costado del dispositivo. Se observa radiográficamente el acoplamiento magnético del LED al globo in vivo (abajo a la derecha). (F) Después de que se degrada el pin de gel oNB-PAAM que se activa con la luz, el relleno gotea y el globo disminuye significativamente de tamaño como se observa radiográficamente en t =0 horas (arriba) y 6 horas (abajo). (G) Los globos degradados utilizando tanto la matriz de LED endoscópicos como el LED sin ataduras disminuyeron significativamente de tamaño en t =6 horas en comparación con un control (n =3, PAG <0,05), indicando la activación exitosa a pedido del gatillo de gel oNB-PAAM. (H) Esquema del dispositivo de stent esofágico compuesto por un anillo de gel oNB-PAMPS con perlas de PCL. (I) Fotografía (arriba) e imagen radiográfica (abajo) del dispositivo ensamblado. Las perlas de PCL están pintadas con una pintura de sulfato de bario para aumentar la visibilidad mediante rayos X. Crédito de la foto:Ritu Raman, MIT. (J) El dispositivo ensamblado se coloca dentro de un esófago ex vivo, y la hinchazón del dispositivo asegura un ajuste a presión con el tejido que resiste la compresión. (K) Reducción de la fuerza de resistencia de los stents esofágicos a la compresión externa in vitro y ex vivo después de la degradación provocada por la luz (n =3, PAG <0,05). (L) Arriba:Después de la degradación con la matriz de LED endoscópica descrita en (D), el gel cambia de color de transparente a naranja, un indicador de degradación como se observa en la fig. S6. Abajo:el gel degradado se escapa del esófago cuando el tejido se comprime a la mitad de su ancho original en proporción con el movimiento peristáltico del esófago in vivo. Crédito de la foto:Ritu Raman, MIT. Avances de la ciencia (2020). Advances.sciencemag.org/content/6/3/eaay0065
Se puede insertar una variedad de dispositivos médicos en el tracto gastrointestinal para tratar, diagnosticar, o vigilar los trastornos gastrointestinales. Muchos de estos tienen que eliminarse mediante cirugía endoscópica una vez que se realiza su trabajo. Sin embargo, Los ingenieros del MIT han ideado una forma de hacer que estos dispositivos se descompongan dentro del cuerpo cuando se exponen a la luz de un LED ingerible.
El nuevo enfoque se basa en un hidrogel sensible a la luz que diseñaron los investigadores. La incorporación de este material en los dispositivos médicos podría evitar muchos procedimientos endoscópicos y brindaría a los médicos una forma más rápida y sencilla de retirar los dispositivos cuando ya no sean necesarios o no estén funcionando correctamente. dicen los investigadores.
"Estamos desarrollando un conjunto de sistemas que pueden residir en el tracto gastrointestinal, y como parte de eso, Estamos buscando desarrollar diferentes formas en las que podamos desencadenar el desmontaje de dispositivos en el tracto gastrointestinal sin la necesidad de un procedimiento importante. "dice Giovanni Traverso, un profesor asistente de ingeniería mecánica, un gastroenterólogo en el Hospital Brigham and Women's, y el autor principal del estudio.
En un estudio en cerdos, Los investigadores demostraron que los dispositivos fabricados con este hidrogel sensible a la luz pueden provocar su descomposición después de ser expuestos a la luz azul o ultravioleta de un pequeño LED.
Ritu Raman, un postdoctorado en el Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer del MIT, es el autor principal del artículo, que aparece hoy en Avances de la ciencia . Otros autores del artículo son los ex asociados técnicos Tiffany Hua, Jianlin Zhou, Tina Esfandiary, y Vance Soares; asociados técnicos Declan Gwynne, Joy Collins, y Siddartha Tamang; el estudiante de posgrado Simo Pajovic; Alison Hayward, veterinaria de la División de Medicina Comparada; y el profesor del Instituto David H. Koch, Robert Langer.
Avería controlada
Durante los últimos años, Traverso y Langer han desarrollado muchos dispositivos ingeribles diseñados para permanecer en el tracto gastrointestinal durante períodos prolongados. También han trabajado en una variedad de estrategias para controlar la avería de dichos dispositivos, incluidos los métodos basados en cambios de pH o temperatura, o exposición a ciertos químicos.
"Dado nuestro interés en desarrollar sistemas que puedan residir durante períodos prolongados en el tracto gastrointestinal, Continuamos investigando una variedad de enfoques para facilitar la eliminación de estos sistemas en el contexto de una reacción adversa o cuando ya no son necesarios. ", Dice Traverso." Realmente estamos analizando diferentes factores desencadenantes y cómo funcionan, y si podemos aplicarlos a diferentes entornos ".
En este estudio, los investigadores exploraron un disparador basado en la luz, que creían que podría ofrecer algunas ventajas sobre sus enfoques anteriores. Una ventaja potencial es que la luz puede actuar a distancia y no necesita entrar en contacto directo con el material que se está descomponiendo. También, la luz normalmente no penetra en el tracto gastrointestinal, por lo que no hay posibilidad de que se active accidentalmente.
Para crear el nuevo material, Raman diseñó un hidrogel sensible a la luz basado en un material desarrollado en el laboratorio de Kristi Anseth, un ex postdoctorado del laboratorio Langer que ahora es profesor de ingeniería química y biológica en la Universidad de Colorado en Boulder. Este gel de polímero incluye un enlace químico que se rompe cuando se expone a una longitud de onda de luz entre 405 y 365 nanómetros (azul a ultravioleta).
Raman decidió que en lugar de hacer un material compuesto exclusivamente por ese polímero sensible a la luz, lo usaría para unir componentes más fuertes como la poliacrilamida. Esto hace que el material en general sea más duradero, pero aún permite que se rompa o se debilite cuando se expone a la longitud de onda de luz correcta. También construyó el material como una "red doble, "en el que una red de polímeros rodea a otra.
"Está formando una red de polímeros y luego formando otra red de polímeros a su alrededor, así que está realmente enredado. Eso lo hace muy resistente y elástico, "Dice Raman.
Las propiedades del material se pueden ajustar variando la composición del gel. Cuando el enlazador sensible a la luz constituye un porcentaje más alto del material, se descompone más rápido en respuesta a la luz, pero también es mecánicamente más débil. Los investigadores también pueden controlar cuánto tiempo se tarda en descomponer el material utilizando diferentes longitudes de onda de luz. La luz azul funciona más lentamente pero presenta menos riesgo para las células que son sensibles al daño de la luz ultravioleta.
Desinflado por la luz
El gel y sus productos de degradación son biocompatibles, y el gel se puede moldear fácilmente en una variedad de formas. En este estudio, los investigadores lo utilizaron para demostrar dos posibles aplicaciones:un sello para un balón bariátrico y un stent esofágico. Globos bariátricos estándar, que a veces se utilizan para ayudar a tratar la obesidad, se inflan en el estómago de un paciente y se llenan de solución salina. Después de unos seis meses, el globo se retira mediante cirugía endoscópica.
A diferencia de, el globo bariátrico que diseñó el equipo del MIT se puede desinflar exponiendo el sello a una pequeña luz LED, que en principio se tragaría y luego saldría del cuerpo. Su globo está hecho de látex y relleno de poliacrilato de sodio, que absorbe agua. En este estudio, los investigadores probaron los globos en cerdos y encontraron que los globos se hincharon tan pronto como se colocaron en el estómago. Cuando un pequeño, LED ingerible que emite luz azul se colocó en el estómago durante aproximadamente seis horas, los globos se desinflaron lentamente. Con una luz de mayor potencia, el material se rompió en 30 minutos.
Los investigadores también moldearon el gel sensible a la luz en un stent esofágico. A veces, estos stents se utilizan para ayudar a tratar el cáncer de esófago u otros trastornos que provocan un estrechamiento del esófago. Una versión activable por luz podría descomponerse y pasar a través del tracto digestivo cuando ya no se necesite.
Además de esas dos aplicaciones, este enfoque podría usarse para crear otros tipos de dispositivos degradables, como vehículos para administrar medicamentos al tracto gastrointestinal, según los investigadores.
"Este estudio es una prueba de concepto de que podemos crear este tipo de material, y ahora estamos pensando en cuáles son las mejores aplicaciones para ello, "Dice Traverso.
