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.
Los ingenieros del MIT ahora han demostrado que pueden estimular estas células endocrinas para que produzcan grelina, utilizando una cápsula ingerible que envía una corriente eléctrica a las células. Este enfoque podría resultar útil para el tratamiento de enfermedades que involucran náuseas o pérdida de apetito, como la caquexia (pérdida de masa corporal que puede ocurrir en pacientes con cáncer u otras enfermedades crónicas).
En pruebas con animales, los investigadores han demostrado que esta cápsula «electrocéutica» puede aumentar significativamente la producción de grelina en el estómago. Piensan que este enfoque también podría adaptarse para administrar estimulación eléctrica a otras partes del tracto gastrointestinal.
«Este estudio ayuda a establecer la estimulación eléctrica por electrocéuticos ingeribles como un modo de desencadenar la liberación de hormonas a través del tracto gastrointestinal», dice Giovanni Traverso, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, gastroenterólogo en el Brigham and Women’s Hospital y autor principal del estudio. estudiar. «Estamos mostrando un ejemplo de cómo podemos interactuar con el revestimiento del estómago y liberar hormonas, y anticipamos que esto podría usarse en otros sitios del tracto gastrointestinal que no hemos explorado aquí».
Khalil Ramadi SM ’16, PhD ’19, graduado del Departamento de Ingeniería Mecánica y del Programa Harvard-MIT en Ciencias y Tecnología de la Salud, quien ahora es Profesor Asistente de Bioingeniería en la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York (NYU) y el director del Laboratorio de Neuroingeniería Avanzada y Medicina Traslacional de NYU Abu Dhabi, y James McRae, un estudiante graduado del MIT, son los autores principales del artículo, que aparece hoy en Robótica científica.
estimulación eléctrica
El sistema nervioso entérico controla todos los aspectos de la digestión, incluido el movimiento de los alimentos a través del tracto gastrointestinal. Algunos pacientes con gastroparesia, un trastorno de los nervios del estómago que hace que los alimentos se muevan muy lentamente, han mostrado una mejoría sintomática después de la estimulación eléctrica generada por un dispositivo similar a un marcapasos que se puede implantar quirúrgicamente en el estómago.
Los médicos habían especulado que la estimulación eléctrica haría que el estómago se contrajera, lo que ayudaría a que la comida avanzara. Sin embargo, más tarde se descubrió que si bien el tratamiento ayudaba a los pacientes a sentirse mejor, afectaba en menor medida la motilidad. El equipo del MIT planteó la hipótesis de que la estimulación eléctrica del estómago podría conducir a la liberación de grelina, que se sabe que promueve el hambre y reduce la sensación de náuseas.
Para probar esta hipótesis, los investigadores utilizaron una sonda eléctrica para administrar estimulación eléctrica en los estómagos de los animales. Descubrieron que después de 20 minutos de estimulación, los niveles de grelina en sangre se elevaron significativamente. También encontraron que la estimulación eléctrica no causó una inflamación significativa u otros efectos adversos.
Una vez que establecieron que la estimulación eléctrica causaba la liberación de grelina, los investigadores se propusieron ver si podían lograr el mismo resultado usando un dispositivo que pudiera tragarse y residir temporalmente en el estómago. Uno de los principales desafíos en el diseño de un dispositivo de este tipo es garantizar que los electrodos de la cápsula puedan entrar en contacto con los tejidos del estómago, que están cubiertos de líquido.
Para crear una superficie más seca con la que los electrodos puedan interactuar, los investigadores le dieron a su cápsula una superficie acanalada que absorbe el fluido de los electrodos. La superficie que diseñaron está inspirada en la piel de la lagartija espinosa australiana, que usa escamas rugosas para recolectar agua. Cuando la lagartija toca el agua con cualquier parte de su piel, el agua es transportada por capilaridad a lo largo de los canales hasta la boca de la lagartija.
«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.
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.
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.