Пористая капсула пассивно собирает микробиом тонкой кишки для анализа

Микробиом кишечника играет важную роль в жизнедеятельности человека. Его дисбаланс может привести к множеству различных заболеваний, включая воспаления, эндокринные и метаболические нарушения. Разнообразие условий в разных отделах кишечника создает в них специфические экологические ниши для бактерий, влияющие на видовой состав их сообщества. При этом традиционный метод оценки микробиома — анализ фекальных образцов — захватывает только микроорганизмы толстой кишки. Забор образцов из тонкого кишечника возможен при помощи дорогой и инвазивной эндоскопии. В последнее время все больше внимания уделяется технологии проглатываемых капсул, однако до сих пор подобные решения для анализа микробиома были чрезмерно сложными и ненадежными. Авторы статьи, опубликованной в журнале Device, представили капсулу для пассивного сбора микробиоты, изготавливаемую при помощи 3D-печати. Разработка получила название CORAL. 

Капсула состоит из цилиндрической полой оболочки, находящегося в ней цилиндрического ядра и крышки, удерживающей ядро. И оболочка, и ядро обладали пористой структурой, вдохновленной скелетом кораллов. Поры имели форму гироида — она была выбрана по результатам компьютерного моделирования потоков жидкости, которые обеспечили бы оптимальный захват бактерий под действием перистальтики кишечника. Размер пор авторы подобрали под размер выростов кишечных ворсинок крысы — на них проводилось тестирование системы. Двухкомпонентный состав капсулы, по задумке, должен обеспечить сбор микробиоты из разных отделов кишечника — предполагалось, что ядро сохранит в себе бактерий из тонкого кишечника, в то время как в оболочке их заместят бактерии толстой и прямой кишки. Сами капсулы были изготовлены из инертного материала при помощи современных технологий 3D-печати, позволяющих достичь микронного разрешения.

Первичные испытания капсулы проходили ex vivo — ученые вручную проводили капсулу через участки кишечника крыс. Электронная микроскопия подтвердила, что бактерии собирались на поверхности пор. Секвенирование генов 16S рибосомальной РНК (рРНК) показало, что видовой состав микрофлоры, захваченной капсулой, соответствует полученному из гомогенизированных образцов кишечника. При этом оба они отличались от образцов фекалий.

Для in vivo тестов конструкции снабдили магнитами, чтобы упростить их сбор после прохождения через ЖКТ, а также поместили в кишечнорастворимые капсулы, которые обеспечивали высвобождение системы только после попадания в тонкий кишечник. Прохождение капсул через кишечник крыс контролировали при помощи компьютерной томографии. Даже при одновременном приеме шести капсул не наблюдалось возникновения блокад в кишечнике — капсулы успешно проходили через ЖКТ, не группируясь вместе. Гистологический анализ показал, что прохождение капсул не приводило к какому-либо травматизму в кишечнике.

Секвенирование генов 16S рРНК показало, что состав микробиоты в оболочке капсулы соответствовал микробиому толстой кишки — он был представлен преимущественно Bacteroidetes и Firmicutes и соотносился с образцами фекалий. В то же время микробиота в ядре соответствовала тонкому кишечнику — в ней детектировались Firmicutes, Proteobacteria, Cyanobacteria, и Actinobacteria. Авторы наблюдали определенную степень вариации видового состава между капсулами, а также между капсулами и гомогенизированными образцами кишечника.

Таким образом, капсула успешно захватывала микробиоту тонкой кишки, недоступную для анализа по образцам фекалий. Авторы отмечают, что технологию можно адаптировать для использования на человеке с минимальными доработками, хотя и высказывают опасения, что больший размер может повлиять на физические свойства пор в отношении жидкостной динамики.

Капсула с губкой помогла определить риск развития рака пищевода