Technologie om je buikgevoel te meten

Je bent wat je eet 

‘Je bent wat je eet’ is een bekend gezegde dat verwijst naar het idee dat voedsel invloed heeft op je gezondheid. Naast genetische aanleg dragen voedingskeuzes in belangrijke mate bij aan maag- en darmstoornissen en het metabool syndroom (MS), een aandoening gekenmerkt door lichte ontstekingen die verband houdt met meer chronische aandoeningen zoals hypertensie, hart- en vaatziekten en diabetes type 2. Daarom zijn onze eetgewoonten en voedingskeuzes essentieel voor een goede gezondheid en zelfs cruciaal voor patiënten met stofwisselingsstoornissen. 

Het domein van maag- en darmstoornissen en MS is groot en complex. Hoewel maag- en darmstoornissen zoals inflammatoire darmziekte (IBD) of de ziekte van Crohn meer dan 20% van de wereldbevolking treffen, is hun ziekteverloop niet altijd volledig begrepen. Bovendien zijn de klachten vaak zeer algemeen en moeilijk te onderscheiden. Om de ziekteprogressie vast te leggen, is er een groeiende vraag naar biomarkers in het spijsverteringsstelsel. Biomarkers zijn objectieve, meetbare indicatoren van een ziekte of een biologisch proces. Er zijn al biomarkers geïdentificeerd voor metingen in stoelgang, urine, bloed en speeksel, maar het direct meten van biomarkers in het spijsverteringsstelsel is nieuw en zou waardevolle informatie ter plaatse opleveren. Vroegtijdige opsporing en gepersonaliseerde voedingsinterventies zouden de incidentie, de morbiditeit en de gezondheidskosten kunnen verminderen en de levenskwaliteit kunnen verbeteren. Maar dan hebben we de juiste instrumenten nodig.  

Een pilletje voor een gezond spijsverteringsstelsel 

De meest efficiënte manier om gegevens uit je spijsverteringsstelsel te verkrijgen is door hetzelfde pad te volgen als je voedsel. De huidige camera-oplossingen zoals endoscopie kunnen geen functionele stoornissen zoals het prikkelbare darmsyndroom (IBS) en motiliteitssyndromen onthullen. Daarvoor zijn biomarkers nodig. Daarnaast is het microbioom nog grotendeels onontgonnen terrein. Het microbioom bestaat uit triljoenen bacteriën die in de darm leven en invloed hebben op de gezondheid en de spijsvertering. De samenstelling is voor iedereen verschillend en wat je eet heeft ook op verschillende manieren invloed op het microbioom. Zelfs voedsel met vergelijkbare voedingswaarden kan bepaalde bacteriestammen in de darm stimuleren of verminderen, afhankelijk van wie het consumeert.  

Imec is een technologie aan het ontwikkelen om mechanische, chemische en elektrische processen in het spijsverteringsstelsel te meten als antwoord op deze uitdagingen. De visie voor de ‘ingestibles’ is de ontwikkeling van kleine, pilvormige apparaatjes die je kan inslikken en die verkrijgbaar zijn in twee variaties: een variatie met sensoren die ter plaatse detecteren, en een variatie die in de darm een staalname kan uitvoeren. De keuze welke ingezet wordt zal afhankelijk zijn van de toepassing. 

Ingestibles voor detectie zullen informatie verzamelen terwijl ze door het spijsverteringsstelsel reizen en zullen deze doorsturen naar een ontvanger buiten het lichaam. Dat kan bijvoorbeeld een smartphone of een smartwatch zijn. Ze kunnen preventief ingezet worden om de gezondheid van de darm te controleren, maar ook voor het vaststellen van ziekten, bijvoorbeeld door biomarkers gerelateerd aan metabole gezondheid en de bijbehorende problemen te vinden en te volgen. Ze zouden ook informatie kunnen geven over voeding, spijsverteringsprocessen en de stofwisseling door de concentratie van bepaalde stoffen te monitoren om zo een onevenwicht of voedingstekort aan te geven. 

De detectie van sommige stoffen vereist grote, gespecialiseerde labo-apparatuur voor analyse, zoals een chromatografie-opstelling. Deze instrumenten zijn niet gemakkelijk te miniaturiseren maar dat is ook niet meteen nodig, omdat het meestal gaat over enkelvoudige metingen of steekproeven. Voor deze stoffen kunnen ingestibles voor staalname een alternatief bieden, waarbij in de darm stalen worden genomen en de markers buiten de darm, bijvoorbeeld in het labo, worden geanalyseerd. Ze kunnen ook worden gebruikt om de concentratie van bepaalde stoffen op verschillende meetpunten te bepalen.  

Slimme pillen met slimme technologie 

Het ontwikkelen van slimme pillen voor detectie en staalname in de darm is een uitdaging. In de eerste plaats moet het apparaatje zeer klein zijn omwille van comfort bij het inslikken en de veiligheid. De gewenste reeks functionaliteiten voormetingen in de darm bestaat op die schaal nog niet. Bovendien is de darm en dan vooral de maag een extreme omgeving die de sensor kan aantasten bij zijn reis doorheen het maag-darmkanaal. Ook het lokaliseren van de sensor in zo'n complex orgaan is niet triviaal - omdat we noch een 'kaart' van iemands maag-darmkanaal, noch een 'GPS' hebben. Tot slot vereist het collecteren van de ingestibles na doorgang door het spijsverteringskanaal nog steeds een elegante oplossing. 

Imec bouwt aan de bouwstenen voor deze slimme ingestibles. Vandaag de dag heeft imec er al meerdere ontworpen en in capsuleformaat geïntegreerd. Het huidige prototype heeft een batterijlevensduur van +6 dagen bij het meten en draadloos verzenden van gegevens om de 3 seconden. 

Lokaliseren en collecteren 

Het pilletje moet allereerst beschermd worden tegen de extreme omstandigheden in het spijverteringsstelsel. Er is dus een omhulsel nodig dat bijvoorbeeld maagzuur kan tegenhouden maar tegelijkertijd de werking niet bemoeilijkt. Daarenboven moet het 'losgelaten' worden op de juiste doellocatie in de darm, zodat de ingestible zijn detectie- of staalnemingsfunctie kan uitvoeren. Wanneer de pil uiteindelijk het lichaam verlaat, moeten de staalnamepillen verzameld worden voor analyse. Hoewel dit niet strikt noodzakelijk is voor de detectiepillen, omdat ze hun gegevens al hebben verzonden, kan men toch verkiezen om ze te recycleren om veiligheids- en milieuredenen. 

Ten slotte is het een grote uitdaging om de pil te lokaliseren als deze zich een weg baant door het spijsverteringsstelsel. Het maag-darmkanaal is een lange en complexe buis met ingewikkeld gevouwen en gebogen darmen die van persoon tot persoon verschillen. Voor veel toepassingen is positionering een cruciale functionaliteit, omdat het helpt bij een behandelingsstrategie. Bij de ziekte van Crohn bijvoorbeeld helpt het niet alleen bij het lokaliseren van de ontsteking, maar ook bij het meten van de omvang ervan. Een van de strategieën voor lokalisatie in de darm is een pH-meting, aangezien er significante pH-veranderingen in het maag-darmkanaal bestaan. Meer verfijnde lokalisatietechnieken worden onderzocht. 

Imec en haar OnePlanet R&D-partner Wageningen University & Research testen momenteel het prototype van hun ingestible in een kunstdarm die de darmomgeving simuleert. Het doel van de testen in dit in-vitromodel is om de gevoeligheid van de sensor in een extreme omgeving te beoordelen, de stabiliteit van de pil over tijd te evalueren, de specificiteit van de sensor na te gaan en de veiligheidskenmerken te controleren.  

De badkamer voor de gezondheid 

Slimme pillen zijn uiterst geschikt voor korte, zelfs realtime, metingen die helpen bij een diagnose of een beoordeling voor een interventie. Imec en haar OnePlanet-onderzoekspartners zien ook eenvoudige hulpmiddelen die een langdurige, frequente monitoring voor preventie op lange termijn mogelijk maken. Ze hebben niet gekozen voor draagbare technologie omdat de gebruiker dan nog steeds de verantwoordelijkheid heeft om het item aan te doen terwijl net dat voor bepaalde mensen een hindernis vormt. Maar: iedereen gebruikt het toilet. 

Het 'slimme toilet' maakt deel uit van een project om een 'badkamer voor de gezondheid' met ingebouwde sensortechnologie te ontwikkelen. Het is een onderzoeksplatform om oplossingen te ontwikkelen voor het monitoren van je gezondheid in het comfort van je eigen huis. Onze visie is dat de badkamer, een plek die je elke dag bezoekt, automatisch dagelijkse controles voor jou kan uitvoeren. Metingen kunnen onopvallend worden uitgevoerd via een slim toilet of andere badkameraccessoires, terwijl persoonlijke feedback ter plaatse kan gegeven worden, op basis van onmiddellijke metingen of evoluerende trends over tijd. 

In de eerste versie integreert het slimme toilet sensoren om de cardiovasculaire functie te meten, zoals ECG (elektrocardiogram) en PPG (fotopletysmografie). In de volgende generatie zal ook technologie voor urine- en ontlastinganalyse worden toegevoegd om markers voor uitdroging of constipatie te bestuderen. 

OnePlanet 

Een inslikbare sensor en een slimme badkamer zijn maar half werk. De toegevoegde waarde van de voorgestelde sensortechnologie ligt in de inzichten, trends en modellen die je kan bouwen op basis van de gegevens die door de sensoren worden gegenereerd. Ingestibles zijn onderzoeksvehikels die de grootschalige studies op populatieniveau mogelijk maken waar het medisch, voedings- en farmaceutisch onderzoek naar vraagt. Het slimme toilet dient bijvoorbeeld als onderzoeksinstrument in de activiteiten van OnePlanet, waardoor onderzoekers de metabole gezondheid en voedingsgerelateerde aandoeningen van mensen thuis periodiek kunnen volgen.  

OnePlanet Research Center plant verder een uitgebreid onderzoek naar voeding en eetgewoonten waarbij gebruik gemaakt wordt van de detectietechnologieën in imecs ingestibles en slimme badkamer. OnePlanet is een innovatiecentrum voor voedsel, gezondheid en landbouwtechnologie en er is een samenwerking tussen imec en de Nederlandse universiteiten Radboud Universiteit, Wageningen Universiteit & Research (WUR) en het academisch ziekenhuis Radboudumc. De resultaten van het onderzoek zullen een ankerpunt zijn om feedback te geven over gezondheid en uiteindelijk gedragsveranderingen te stimuleren. 

Dit is een grote uitdaging. Net zoals het dragen van een Fitbit je niet meer fit maakt, zal het hebben van een slim toilet je niet automatisch anders doen eten. Samen met gedragswetenschappers en voedingsdeskundigen onderzoekt OnePlanet manieren om mensen persoonlijk advies te geven. Iedereen weet dat gezond eten betekent dat je vezels moet eten en voldoende water moet drinken. De negatieve gevolgen van een slecht dieet kunnen echter persoonlijk zijn. Individuele metingen maken het makkelijker om individuele feedback te geven die beter blijft hangen dan een algemeen advies. 

Je persoonlijke digitale tweeling 

De sensorgegevens van ingestibles en slimme badkamers, gecombineerd met de juiste contextuele gegevens (bijv. wat doen proefpersonen op een bepaald moment?) maar ook geestelijk welzijn of slaappatroon, leveren een rijke dataset op waaruit de huidige en toekomstige gezondheidstoestand van een bepaalde persoon kan worden afgeleid. Je kan er zelfs een virtueel mode van jezelf mee opbouwen, een ‘digitale tweeling’. De 'digitale tweeling' kan de persoonlijke effecten van voedings- en leefstijlveranderingen voorspellen of kan helpen bij het vroegtijdig opsporen van ziekten. Ze helpt niet alleen om de gebruiker feedback te geven over zijn gezondheid, maar helpt ook de professionele zorgverleners bij het formuleren van een persoonlijk advies. 

Hulpmiddelen zoals de ingestibles en de slimme badkamer zijn van cruciaal belang bij de ontwikkeling van de digitale tweeling, vanwege de gepersonaliseerde effecten van voeding en de gezondheid van de darmen op je algemene gezondheid. De digitale tweeling zal de toekomst van voeding echt persoonlijk maken.