Een verscheidenheid aan medische hulpmiddelen kan in het maagdarmkanaal worden ingebracht om te behandelen, diagnostiseren, of monitor GI-stoornissen. Veel van deze moeten worden verwijderd door endoscopische chirurgie zodra hun werk is gedaan. Echter, MIT-ingenieurs hebben nu een manier bedacht om dergelijke apparaten in het lichaam te laten afbreken wanneer ze worden blootgesteld aan licht van een opneembare LED.

De nieuwe aanpak is gebaseerd op een lichtgevoelige hydrogel die de onderzoekers hebben ontworpen. Door dit materiaal in medische hulpmiddelen op te nemen, zouden veel endoscopische procedures kunnen worden vermeden en zouden artsen een snellere en gemakkelijkere manier krijgen om hulpmiddelen te verwijderen wanneer ze niet langer nodig zijn of niet goed werken, zeggen de onderzoekers.

"We ontwikkelen een reeks systemen die zich in het maagdarmkanaal kunnen bevinden, en als onderdeel daarvan, we willen verschillende manieren ontwikkelen waarop we de demontage van apparaten in het maagdarmkanaal kunnen activeren zonder dat er een grote procedure nodig is, " zegt Giovanni Traverso, een assistent-professor werktuigbouwkunde, een gastro-enteroloog in het Brigham and Women's Hospital, en de senior auteur van de studie.

In een onderzoek bij varkens de onderzoekers toonden aan dat apparaten die met deze lichtgevoelige hydrogel zijn gemaakt, kunnen worden geactiveerd om af te breken nadat ze zijn blootgesteld aan blauw of ultraviolet licht van een kleine LED.

Ritu Raman, een postdoc bij MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research, is de hoofdauteur van het artikel, die vandaag verschijnt in wetenschappelijke vooruitgang . Andere auteurs van het artikel zijn voormalige technische medewerkers Tiffany Hua, Jianlin Zhou, Tina Esfandiary, en Vance Soares; technische medewerkers Declan Gwynne, Joy Collins, en Siddartha Tamang; afgestudeerde student Simo Pajovic; Afdeling Vergelijkende Geneeskunde dierenarts Alison Hayward; en David H. Koch Instituut Professor Robert Langer.

Gecontroleerde storing

In de afgelopen jaren, Traverso en Langer hebben veel opneembare apparaten ontwikkeld die zijn ontworpen om gedurende langere tijd in het maagdarmkanaal te blijven. Ze hebben ook gewerkt aan verschillende strategieën om de storing van dergelijke apparaten te beheersen, inclusief methoden op basis van veranderingen in pH of temperatuur, of blootstelling aan bepaalde chemicaliën.

"Gezien onze interesse in het ontwikkelen van systemen die gedurende langere perioden in het maagdarmkanaal kunnen verblijven, we blijven een reeks benaderingen onderzoeken om de verwijdering van deze systemen te vergemakkelijken in het geval van een bijwerking of wanneer ze niet langer nodig zijn, " zegt Traverso. "We kijken echt naar verschillende triggers en hoe ze presteren, en of we ze kunnen toepassen op verschillende instellingen."

In dit onderzoek, de onderzoekers onderzochten een op licht gebaseerde trigger, waarvan zij geloofden dat dit enkele voordelen zou kunnen bieden ten opzichte van hun eerdere benaderingen. Een potentieel voordeel is dat licht op afstand kan werken en niet direct in contact hoeft te komen met het materiaal dat wordt afgebroken. Ook, licht dringt normaal gesproken niet door het maagdarmkanaal, dus er is geen kans op onbedoelde activering.

Om het nieuwe materiaal te maken, Raman ontwierp een lichtgevoelige hydrogel op basis van een materiaal ontwikkeld in het lab van Kristi Anseth, een voormalige postdoc in het Langer-lab die nu hoogleraar chemische en biologische technologie is aan de Universiteit van Colorado in Boulder. Deze polymeergel bevat een chemische binding die wordt verbroken bij blootstelling aan een golflengte van licht tussen 405 en 365 nanometer (blauw tot ultraviolet).

Raman besloot dat in plaats van een materiaal te maken dat uitsluitend uit dat lichtgevoelige polymeer bestaat, ze zou het gebruiken om sterkere componenten zoals polyacrylamide aan elkaar te koppelen. Dit maakt het totale materiaal duurzamer, maar laat het toch uit elkaar vallen of verzwakken wanneer het wordt blootgesteld aan de juiste golflengte van licht. Ze construeerde het materiaal ook als een "dubbel netwerk, " waarin het ene polymeernetwerk het andere omringt.

"Je vormt een polymeernetwerk en vormt er vervolgens een ander polymeernetwerk omheen, dus het is echt verstrikt. Dat maakt het erg taai en rekbaar, ' zegt Raman.

De eigenschappen van het materiaal kunnen worden aangepast door de samenstelling van de gel te variëren. Wanneer de lichtgevoelige linker een hoger percentage van het materiaal uitmaakt, het breekt sneller af als reactie op licht, maar is ook mechanisch zwakker. De onderzoekers kunnen ook bepalen hoe lang het duurt om het materiaal af te breken door verschillende golflengten van licht te gebruiken. Blauw licht werkt langzamer, maar vormt minder risico voor cellen die gevoelig zijn voor schade door ultraviolet licht.

Leeggelopen door licht

De gel en zijn afbraakproducten zijn biocompatibel, en de gel kan gemakkelijk in verschillende vormen worden gegoten. In dit onderzoek, daarmee demonstreerden de onderzoekers twee mogelijke toepassingen:een afdichting voor een bariatrische ballon en een slokdarmstent. Standaard bariatrische ballonnen, die soms worden gebruikt om obesitas te behandelen, worden opgeblazen in de maag van een patiënt en gevuld met zoutoplossing. Na ongeveer zes maanden, de ballon wordt verwijderd door endoscopische chirurgie.

In tegenstelling tot, de bariatrische ballon die het MIT-team heeft ontworpen, kan leeglopen door de verzegeling bloot te stellen aan een klein LED-lampje, die in principe zou worden ingeslikt en dan uit het lichaam zou verdwijnen. Hun ballon is gemaakt van latex en gevuld met natriumpolyacrylaat, die water opneemt. In dit onderzoek, de onderzoekers testten de ballonnen bij varkens en ontdekten dat de ballonnen opzwollen zodra ze in de maag werden geplaatst. Wanneer een kleine, opneembare LED die blauw licht uitstraalt, werd ongeveer zes uur in de maag geplaatst, de ballonnen liepen langzaam leeg. Met een krachtiger licht, het materiaal ging binnen 30 minuten kapot.

De onderzoekers vormden de lichtgevoelige gel ook tot een slokdarmstent. Dergelijke stents worden soms gebruikt voor de behandeling van slokdarmkanker of andere aandoeningen die een vernauwing van de slokdarm veroorzaken. Een door licht geactiveerde versie kan worden afgebroken en door het spijsverteringskanaal worden gevoerd wanneer het niet langer nodig is.

Naast deze twee toepassingen, deze benadering zou kunnen worden gebruikt om andere soorten afbreekbare apparaten te maken, zoals voertuigen voor het afleveren van medicijnen aan het maagdarmkanaal, volgens de onderzoekers.

"Deze studie is een proof of concept dat we dit soort materiaal kunnen maken, en nu denken we na over wat de beste toepassingen ervoor zijn, ' zegt Traverso.