Батарейка на желудочном соке

Микроэлектронные устройства, используемые для оперативной диагностики и лечения, могут работать на электричестве, вырабатываемом в кислой среде желудка.

Заболев, мы сдаем множество анализов, измеряем температуру, прислушиваемся к болевым ощущениям, чтобы потом рассказать о них врачу.

Однако некоторые из анализов могут быть особенно неприятными – как, например, в том случае, когда нужно взять пробу желудочного сока. С другой стороны, информация, которую мы получаем таким образом, часто оказывается неполной. Наконец, традиционные методы диагностики часто запаздывают, или же просто не чувствуют тревожные колебания важных физиологических параметров – в среднем-то все соответствует норме. Поэтому в последнее время медики и биотехнологи все чаще задумываются над тем, чтобы создать электронные микродатчики, которые человек бы просто проглатывал и которые сообщали бы информацию о нем прямо изнутри, так сказать, «с места событий».

Собственно, такие микродатчики уже делают: некоторые из них измеряют внутреннюю температуру тела, а в позапрошлом году исследователи из Массачусетского технологического института рассказали в своей статье в PLoS One о микроэлектронной «таблетке», которая улавливает ритмы дыхания и сердечных сокращений, находясь в желудочно-кишечном тракте.

Собственно, работу сердца и работу легких можно оценить с помощью электрокардиографии и пульсовой оксиметрии, но оба эти метода требуют достаточно объемного оборудования, и, если мы хотим получать данные постоянно, во время повседневной активности, нужно придумать что-то еще – не ходить же, в конце концов, увешанным электродами и проводами.

«Таблетка», разработанная Джованни Траверзо (Giovanni Traverso) и его коллегами, представляет собой крохотный микрофон в силиконовой капсуле, который прислушивается к человеку изнутри и передает услышанные звуки беспроводным способом на электронное обрабатывающее устройство снаружи. Такой датчик действительно может сообщить о каких-то проблемах в организме, едва только они начнутся и до того, как они превратятся во что-то клинически серьёзное. Срок службы капсулы – один–два дня, а расстояние передачи сигнала пока не превышает 3 м, но и один день непрерывного наблюдения – это уже неплохо, а расстояние передачи не кажется такой уж большой проблемой, если сигнал сможет принимать, скажем, обычный смартфон, который потом сам передаст его еще дальше.

Впрочем, и время работы таких устройств можно продлить, если снабдить их каким-то более «долгоиграющим» источником энергии. Обычный элемент питания, от которого работает датчик, сравнительно быстро разряжается, и, кроме того, потенциально небезопасен. Однако исследователи нашли, чем его можно заменить. Они использовали ту же идею, что лежит в основе «лимонной батарейки»: известно, что если в лимон вставить два электрода, то благодаря лимонной кислоте между ними возникнет электрический ток. В желудке среда довольно кислая, так почему бы не использовать его в качестве источника питания? К микроэлектронной капсуле приделали цинковый и медный электроды – и ток пошел: электроны из цинка выходили в кислую среду и замыкали гальваническую цепь.

Метод проверили на «проглатываемом термометре»: капсулу с термосенсором скармливали свинье, а затем регистрировали сигнал от передатчика, который приходил на частоте 900 Мгц. Пока «термометр» находился в желудке, где кислоты много, сигнал приходил каждые 12 секунд и распространялся на расстояние в два метра. Когда капсула естественным путем пропутешествовала из желудка в тонкий кишечник, где кислотность уже не такая высокая, мощность устройства упала до 1/100 от того, что было желудке, однако и этого было достаточно, чтобы измерять температуру внутри и передавать информацию наружу, пусть и не так часто. Полностью результаты экспериментов описаны в Nature Biomedical Engineering.

Пока что размеры такого датчика, способного работать «от желудка», достаточно велики – 40 мм в длину и 12 мм в диаметре – однако авторы работы не сомневаются, что им удастся сделать его ещё меньше, при этом снабдив его еще дополнительными сенсорными системами.

Более того, подобные устройства можно использовать как для диагностики, так и для лечения: в прошлом году тот же Джованни Траверзо с коллегами опубликовал в Science Translational Medicine статью, в которой описывали аналогичную капсулу, но начиненную лекарством от малярии – капсула постепенно высвобождала лекарство в том количестве, сколько было нужно, и тогда, когда было нужно.

Очевидно, такая медицинская электроника «для внутреннего употребления» может пригодиться в разработке новых методов лечения, ориентированных на индивидуальные особенности каждого больного.