Любое научное исследование зарождается из вопроса, на который необходимо найти ответ. Иногда вопрос кажется сложным и непонятным, особенно для не связанных с наукой людей. Бывают и более простые с точки зрения синтаксиса вопросы, которые частенько задают самые любопытные существа на планете — дети. Почему небо синее? Почему вода мокрая? Почему птицы летают? Все эти вопросы кажутся простыми, но ответы на них могут быть совокупностью знаний, скрупулезно собранных на протяжение столетий учеными из самых разных областей, от биологии до физики частиц. Ученые из Мэрилендского университета (Колледж-Парк, США) решили задать очередной «простой» вопрос — как часто у человека происходит флатуленция? А ответ на этот вопрос им помогло их собственное изобретение — умное нижнее белье. Каков принцип работы этого необычного элемента гардероба, какие данные он собирает, и что они могут рассказать о здоровье пользователя? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Кишечный микробиом представляет собой сложную метаболическую экосистему, которая непрерывно перерабатывает пищевые продукты и генерирует биоактивные метаболиты, влияющие на физиологию хозяина. Метаболическая активность кишечных микробных сообществ значительно варьируется как внутри, так и между отдельными людьми, колеблясь в течение дня в зависимости от доступности субстратов и существенно различаясь между людьми из-за огромных различий в составе их микробиомов. Несмотря на эту признанную изменчивость, инструменты для наблюдения за этой метаболической динамикой отсутствуют. Понимание того, когда и как кишечные микробы метаболизируют различные субстраты и как это различается у разных людей, остается фундаментальной проблемой в исследованиях микробиома, ограничивая способность связывать микробные функции с определенными воздействиями на здоровье.
Способность человека к перевариванию углеводов ограничена конечным набором ферментов гликозидгидролаз. В то время как моносахариды, такие как глюкоза, фруктоза и галактоза, непосредственно всасываются в тонком кишечнике, сложные углеводы, включая олигосахариды и полисахариды, требуют ферментативного расщепления перед всасыванием. Когда потребление углеводов превышает возможности пищеварения, будь то потребление неперевариваемых волокон или избыток усваиваемых углеводов, таких как фруктоза, эти непереваренные углеводы становятся доступными для кишечных микробов. Аналогично, чрезмерное потребление аминокислот может превысить возможности всасывания, обеспечивая дополнительные метаболические субстраты. Такое переменное поступление субстрата создает колеблющиеся метаболические нагрузки на микробиом кишечника, однако в настоящее время невозможно отследить, как микробные сообщества реагируют на эти изменяющиеся условия с течением времени.
Водород служит сигналом активной микробной ферментации. Вырабатываемый исключительно кишечными микробами в процессе утилизации восстановительных эквивалентов при метаболизме углеводов, водород отражает микробную метаболическую активность. Производство водорода является широко распространенной особенностью кишечного микробиома, поскольку практически все люди являются носителями водородпродуцирующих бактерий, включая виды из семейств Lachnospiraceae (кластер Clostridiales XIVa), Bacteroidaceae, Ruminococcaceae и Enterobacteriaceae. Объемы образующегося водорода могут быть значительными. В одном исследовании с использованием ректального зонда измеренный объем выделяемого газа за 4 часа варьировался от 106 до 1657 мл. Такая метаболическая активность кишечной микрофлоры приводит к распространенным жалобам: в недавнем крупномасштабном исследовании примерно 20% респондентов (18187 из 88795 опрошенных) сообщили об избыточном газообразовании в кишечнике.
После образования в кишечнике водород выводится двумя основными путями: всасыванием в кровообращение с последующим выдохом и прямым выведением в виде газов. Хотя оба пути отражают микробный метаболизм, разница в концентрации между ними поразительна. Содержание водорода в выдыхаемом воздухе обычно колеблется от 0 до 500 ppm (от *parts per million *, т. е. частей на миллион), тогда как в воздухе флатусов оно составляет 83000–630000 ppm. Это преимущество в концентрации делает флатусы идеальным объектом для чувствительного, непрерывного мониторинга микробной метаболической активности, однако этот потенциал остается совершенно неиспользованным в исследовательских целях.
Современные методы оценки метаболизма кишечной микробиоты страдают от серьезных временных ограничений. Метаболомный анализ кала или сыворотки крови позволяет количественно определить продукты микробного метаболизма, такие как короткоцепочечные жирные кислоты (SCFA от short-chain fatty acids), но частота отбора проб по своей природе ограничена частотой дефекации и практичностью забора крови, что приводит к тому, что исследователи упускают динамические реакции на изменения в рационе питания. Водородный дыхательный тест, хотя и неинвазивный, требует либо многочасового пребывания в клинических условиях с соответствующими затратами и неудобствами, либо домашних протоколов, которые страдают от проблем с соблюдением протокола и сложных многоэтапных процедур. Наиболее прямые измерения состава газов были получены с помощью ректальных исследований, которые, несмотря на предоставление ценных данных, являются крайне инвазивными и непрактичными для многократных измерений. Передовые методы визуализации позволяют точно рассчитать объем кишечных газов, но их клиническое применение ограничено дискретными временными точками, а не непрерывным мониторингом. Анкеты пациентов о симптомах метеоризма предлагают субъективные оценки с низкой временной разрешающей способностью и надежностью. Эти ограничения не позволяют исследователям практически отслеживать, как изменяется микробный метаболизм час за часом в ответ на диету, циркадные ритмы или другие факторы окружающей среды.
Для решения этой критической проблемы ученые разработали «умное нижнее белье» — неинвазивное носимое устройство, которое непрерывно отслеживает содержание водорода в метеоризме, обеспечивая беспрецедентное временное разрешение метаболической активности кишечной микрофлоры.
Подготовка к исследованию
Характеризация электрохимических датчиков
Датчики (ECS-500-H2S, EC-Sense) характеризовались с использованием коммерческих газовых баллонов, содержащих 3 % водорода (H2) в азоте (N2), 50 ppm сероводорода (H2S) в чистом (99.99 %) азоте (N2) и диоксиде углерода (CO2), 2.5 % метана (CH4) в 20.9 % O2 и N2 в воздухе, 50 ppm оксида азота (NO) в N2 и 25 ppm диоксида азота (NO2) в N2. Характеризация и тестирование датчиков проводились с использованием «симулятора метеоризма». Вкратце, регулятор массового расхода и микроконтроллер использовались для подачи газов заданной концентрации в измерительную камеру, где тестировались датчики. Это устройство использовалось для калибровки датчиков и исследований помех. Для обнаружения водорода был оценен линейный диапазон концентраций от 332 до 1992 ppm, а селективность была проверена по отношению к распространенным газам, содержащимся в метеоризме, таким как CH4, CO2, и менее концентрированным газам, таким как H2S, NO и NO2.
Разработка и изготовление «умного» нижнего белья
Все электронные компоненты размещены на специально разработанной четырехслойной печатной плате. Устройство питается от двух батарей на основе оксида серебра. Специальные держатели батарей изготовлены из латуни и вырезаны из цельной фольги толщиной 0.02 дюйма с использованием системы струйной печати металлическим связующим, при этом обе батареи разделены разделителем из PETG, напечатанном на 3D-принтере. В основе устройства «умного» нижнего белья лежит микроконтроллер (Ambiq Apollo 3 Artemis, Sparkfun) с возможностью работы по Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE от low-energy Bluetooth). Система также включает в себя маломощную последовательную флэш-память (IS25LP064D, ISSI), ферроэлектрическую оперативную память (MB85RC64TA, FRAM, Fujitsu) и два электрохимических датчика (ECSense), подключенных к двум конфигурируемым аналоговым интерфейсам (LMP91000, Texas Instruments), функционирующим в качестве небольших потенциостатов.
Для минимизации энергопотребления микроконтроллер работает в режиме глубокого сна, в то время как электрохимический датчик непрерывно осуществляет мониторинг посредством прямого доступа к памяти (DMA от direct memory access). Когда сигнал датчика превышает заданный пороговый уровень, указывающий на метеоризм, срабатывает прерывание, и система сохраняет данные сигнала с частотой 3 Гц. Система пробуждается каждые 5 минут для записи данных о температуре, влажности и движении, обнаруженных акселерометром.
Индекс активности микробиома
Индекс активности микробиома рассчитывался по следующей формуле:
где |Sʹt| — абсолютное значение сигнала первой производной электрохимического датчика, W(x) — бинарная функция, принимающая значение 1, если x ≥ B, где B — динамический базовый порог, ниже которого метеоризм не учитывается.
Участники опытов
Доказательство эффективности устройства для обнаружения газов (безопасность и приемлемость для пользователя) было продемонстрировано на 19 здоровых взрослых участниках (74% мужчин и 26% женщин), которые носили устройство в течение недели. В исследование были включены люди, у которых не было диагностировано желудочно-кишечных расстройств и которые не испытывали каких-либо заметных симптомов непереносимости углеводов в течение года, предшествовавшего исследованию.
Участники добровольно согласились носить устройство непрерывно в течение всего времени бодрствования, за исключением поездок и интенсивных физических нагрузок. Ношение устройства во время сна было необязательным. По истечении 7 дней участникам было предложено заполнить анкету об их опыте использования устройства, после чего были собраны данные для оценки его эффективности.
Методы исследования GUMDROP
Было проведено одностороннее слепое нерандомизированное перекрестное исследование с участием 38 человек (53% мужчин, 47% женщин) для оценки способности «умного» нижнего белья выявлять изменения в метаболизме кишечной микробиоты. Порядок потребления углеводов (контрольная и экспериментальная группы) был фиксированным, чтобы избежать эффектов переноса, хотя участники не знали порядка потребления. Конфеты Dots визуально неотличимы от жевательных конфет с клетчаткой.
Участникам было рекомендовано избегать продуктов, содержащих углеводы, которые могут метаболизироваться кишечной микробиотой, в течение первых двух дней исследования. Был предоставлен список разрешенных продуктов с низким содержанием клетчатки/низким содержанием FODMAP и запрещенных продуктов с высоким содержанием клетчатки/высоким содержанием FODMAP. Участники придерживались этой строгой диеты с низким содержанием клетчатки/низким содержанием FODMAP на протяжении всего периода исследования. Протокол исследования требовал от участников соблюдения 12-часового ночного голодания перед каждым днем тестирования.
На третий день (контрольная группа) участники вскоре после пробуждения съели шесть обычных жевательных конфет (Dots, подслащенных кукурузным сиропом и столовым сахаром) и носили «умное» нижнее белье в течение 8 часов. Участникам было предписано избегать любой пищи и напитков, кроме воды, в течение первых 4 часов, после чего они могли возобновить прием пищи, соблюдая диету с низким содержанием клетчатки и FODMAP.
На 4-й день (экспериментальная группа) участники повторили тот же протокол, но вместо контрольных конфет съели шесть жевательных конфет, содержащих 6 г инулина. Участники оставались в неведении относительно последовательности и состава конфет на протяжении всего исследования.
Сбор данных включал непрерывный мониторинг концентрации водорода в газовых выделениях в течение 8-часового периода ношения на 3-й и 4-й дни. Участники также заполнили анкету, касающуюся их восприятия желудочно-кишечных симптомов на 3-й и 4-й дни.
Результаты исследования
Архитектура «умного» нижнего белья
Изображение №1
Устройство представляет собой носимую сенсорную систему для непрерывного пассивного долговременного мониторинга метаболизма кишечной микрофлоры посредством водорода в метеоризме (схема выше). Было изучено несколько конфигураций для определения оптимального дизайна, который бы обеспечивал баланс между функциональностью, комфортом и удобством для пользователя.
В первоначальном прототипе источник питания был отделен от компонентов датчика: микроконтроллер с открытым исходным кодом и литий-ионный аккумуляторный блок крепились к поясу, а дополнительная печатная плата с газовыми датчиками была закреплена на нижнем белье. Эти компоненты были соединены проводом, проложенным через нижнее белье, а плата с датчиками была закреплена с помощью двусторонней клейкой ленты. Хотя такая конфигурация обеспечивала увеличенный срок службы батареи, она была неудобна для пользователей и механически ненадежна из-за частых обрывов проводов.
Датчики газов на основе оксидов металлов отличались привлекательными компактными размерами, но их высокое энергопотребление приводило к разрядке даже более крупных батарей за 1–2 дня.
Это побудило ученых исследовать электрохимические датчики, которые, несмотря на больший размер, работают при гораздо меньшей мощности, что позволяет использовать их в течение недели с меньшими и более безопасными вариантами батарей. Первоначальное тестирование с коммерчески доступными на тот момент датчиками, такими как SGX EC4-1000-H2 (20 × 20 × 16 мм) и Spec Sensors 110-005 (20 × 20 × 3 мм), подтвердило их способность обнаруживать водород при низкой мощности, но их большие габариты создавали значительные эргономические проблемы для устройства, предназначенного для незаметного ношения. В процессе разработки компания EC-Sense выпустила датчик ECS-500-H2S (11.5 × 12.5 × 5.5 мм). Хотя он продавался для обнаружения сероводорода, оценка в симуляторе газов продемонстрировала его чувствительность к водороду с минимальным влиянием относительно низких концентраций сероводорода, которые, как предполагается, присутствуют в газах.
В окончательной версии архитектуры умного нижнего белья два электрохимических датчика объединены в один компактный модуль (29 × 29 × 10 мм). Два датчика обеспечивают резервирование в случае отказа одного из датчиков или позволяют обнаруживать водород в более широком диапазоне концентраций.
Устройство крепится к любому типу нижнего белья в области промежности с помощью системы крепления на основе защелок (1C). Для решения проблем, связанных с пожарной опасностью литий-ионных батарей, ученые перепроектировали систему питания, используя две серебряно-оксидные батарейки-таблетки (357/303), размещенные в специально разработанных латунных держателях. Оптимизация энергопотребления была достигнута за счет тщательного управления состояниями сна: умное нижнее белье потребляло всего 173 мкА в режиме глубокого сна и 918 мкА во время активного считывания.
Датчик ECS-500-H2S продемонстрировал подходящую чувствительность для применения и линейный диапазон отклика, измеренный в симуляторе метеоризма. Предел обнаружения (LOD от limit of detection) и предел количественного определения (LOQ от limit of quantification) составили 17.1 ppm и 51.9 ppm соответственно. Время отклика датчика достаточно быстрое для обнаружения метеоризма — 90 % сигнала достигается всего за 14 секунд. Кроме того, конструкция включает в себя датчики температуры и акселерометра для надежного определения момента ношения умного нижнего белья.
Водород и углекислый газ являются наиболее распространенными газами в метеоризме у большинства людей. Поскольку электрохимические датчики обычно обладают низкой чувствительностью к углекислому газу, значительных помех не ожидалось. Тем не менее селективность была оценена по отношению к распространенным компонентам метеоризма, при этом данные были построены относительно сигнала водорода. Как и ожидалось, датчик показал некоторую реакцию на сероводород, но эти помехи незначительны, учитывая низкие концентрации H2S (десятки ppm) по сравнению с сотнями тысяч ppm водорода, обычно присутствующего в метеоризме. Значительных помех от углекислого газа, оксида азота, метана или диоксида азота обнаружено не было.
Индекс активности микробиома
Для количественной оценки метаболической активности кишечных микробов посредством анализа газов был разработан новый показатель, названный индексом активности микробиома. Хотя электрохимический датчик в основном обнаруживает водород, одной лишь относительной интенсивности недостаточно для полного отражения активности микробиома. Используя абсолютное значение первой производной сигнала датчика, а не исходный сигнал, можно обеспечить лучшую дифференциацию газовых событий, фиксируя скорость изменения концентрации газа. Индекс активности микробиома затем рассчитывается как суммарное число точек измерения, где эта производная превышает динамический базовый пороговый уровень за заданный период времени (например, в час или в день). Такой подход объединяет показатели частоты и объема в единый показатель, отражающий метаболическую активность микроорганизмов во времени.
Результаты опытов
Было проведено наблюдательное исследование с участием 19 здоровых взрослых добровольцев, чтобы оценить способность умного нижнего белья непрерывно отслеживать метаболизм кишечной микробиоты и восприятие пользователями ношения устройства. Участники носили умное нижнее белье во время обычной повседневной деятельности в течение семи последовательных дней.
Изображение №2
Алгоритм обнаружения ношения продемонстрировал высокую степень соблюдения пользователями режима использования (графики ниже). Встроенные датчики температуры и акселерометра зафиксировали среднее еженедельное время ношения 79.2 ч (11.3 ч/день), при этом 79% участников продолжали использовать устройство в течение шести и более дней, и только 5% участников носили умное нижнее белье как минимум четыре дня. Опросы после исследования показали высокий уровень комфорта пользователей: 95% участников сообщили об отсутствии значительного дискомфорта во время повседневной деятельности (графики выше). Один участник сообщил о дискомфорте во время высокоинтенсивных физических нагрузок, что послужило основанием для исключения периодов физических упражнений из последующих протоколов исследования.
Изображение №3
В среднем частота флатусов составляла 32 (± 16, n = 19) в день, с минимумом в 4 (индекс активности микробиома = 256) и максимумом в 59 (индекс активности микробиома = 5492) в день. Это выше, чем оценочные данные, приведенные в литературе, где люди сообщали о 10–20 флатусах в день.
Результаты GUMDROP исследование
Для валидации способности умного нижнего белья обнаруживать изменения в метаболизме кишечной микробиоты ученые провели контролируемое диетическое вмешательство, сравнивая отсутствие доступных для микробов углеводов в пище с добавлением инулина. Инулин — это пищевое волокно, состоящее из полимеров фруктана, связанных β(2,1)-гликозидными связями, которое человек не может переварить, поскольку у нас отсутствуют гликозидгидролазы, необходимые для расщепления этих связей. Следовательно, инулин проходит через тонкий кишечник в неизмененном виде и становится доступным исключительно для микробной ферментации в толстом кишечнике, что делает его идеальным субстратом для тестирования активности микробного метаболизма.
Изображение №4
В ходе исследования сравнивалась доступность углеводов для кишечной микробиоты (графики выше). Двухдневная диета с низким содержанием клетчатки и FODMAP (дни 1–2) минимизировала количество ферментируемых субстратов, доступных для кишечных микробов, по сути, ограничивая их только углеводами слизи, поступающими от хозяина, в зависимости от соблюдения диеты. Контрольные жевательные конфеты на 3-й день содержали простые сахара (глюкозу, мальтозу и сахарозу), которые легко всасываются в тонком кишечнике, обеспечивая минимальное количество субстрата для микробиоты. В отличие от этого, жевательные конфеты с инулином на 4-й день обеспечивали обильное количество субстрата, который достигал толстой кишки в непереваренном виде для микробной ферментации.
Ученые предположили, что умное нижнее белье зафиксирует значительно более высокое производство водорода на 4-й день (конфеты с инулином) по сравнению с 3-м днем (контрольные конфеты), что отражает большую доступность ферментируемых субстратов на 4-й день.
Устройство выявило повышенную активность микробиома на 4-й день после употребления конфет с инулином у 36 из 38 (94.7 %) участников (4D). Статистический анализ с использованием одностороннего критерия Вилкоксона для ранговых сумм, сравнивающий индекс активности микробиома между контрольной группой и группой, принимавшей инулин, дал значение p = 3.6 × 10−11 и статистику теста 5/0 (4E).
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о созданном ими устройстве — умном нижнем белье, позволяющем непрерывно мониторить активность кишечных микробных сообществ посредством измерения частоты флатусов.
Для диагностирования состояния здоровья человека необходимо полная картина его симптомов. Любая информация может быть критический важной для определения типа заболевания, степени его развития и/или источник его появления. Проблема в том, что некоторые показатели сложно измерить в динамике в реальном времени, а субъективные оценки самих пациентов крайне часто не сосуществуют действительности.
Определение активности кишечных микробных, результатом которой являются флатусы, является важным элементом диагностики, однако современные методы неточны, неприятны для пациентов и в целом малоинформативны.
Разработанное учеными устройство позволяет исключить дискомфорт для пациентов, при этом предоставляя точные данные за продолжительный период времени. Устройство оснащено датчиками водорода, который является основным составляющим флатусов. Фиксируя водород, устройство фактически считает частоту флатусов. Во время опытов, когда участники принимали в пищу конфеты с инулином, который не переваривается и становится источником пищи для кишечного микробиома, устройство выявило увеличение флатусов с точностью 94.7%.
Точное определение состояния микробиома кишечника человека является не менее важным, чем, к примеру, мониторинг уровня сахара в крови. И умное нижнее белье позволяет собрать ценную информацию, анализ которой позволяет выявить определенные отличия между пациентами, определить факторы, влияющие на газообразование, и, что самое важное, установить уровни, выходящие за пределы нормы, а значит являющиеся симптомом.
Немного рекламы
Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Автор: Dmytro_Kikot
