Technologie om je buikgevoel te meten

Auteur: Chris van Hoof

OnePlanet Research Center ontwikkelt samen met imec een slimme pil, die belangrijke gezondheidsparameters en ontstekingen in de darmen kan meten. Onderzoek in het slecht toegankelijke maagdarmkanaal wordt daarmee een stuk eenvoudiger en dat biedt kansen voor het verbeteren van de darmgezondheid.

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, een aandoening die gekenmerkt wordt door lichte ontstekingen en 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 het metabool syndroom is groot en complex. Hoewel maag- en darmstoornissen zoals inflammatoire darmziekte (IBD) of de ziekte van Crohn meer dan 20 procent 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.

slimme pil

Een pilletje voor een gezond spijsverteringsstelsel

De meest efficiënte manier om gegevens uit het spijsverteringsstelsel te verkrijgen, is door hetzelfde pad te volgen als voedsel. De huidige camera-oplossingen, zoals endoscopie, kunnen geen functionele stoornissen als IBS of motiliteitssyndromen onthullen. Daarvoor zijn biomarkers nodig. Daarnaast is in de wetenschap 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.

Over OnePlanet Research Center
OnePlanet Research Center is een multidisciplinaire samenwerking tussen Wageningen University & Research (WUR), Radboud Universiteit, Radboudumc en het onderzoekscentrum voor nano-elektronica imec. OnePlanet gebruikt de nieuwste chip- en digitale technologieën om bij te dragen aan een samenleving waarin iedereen gezond kan leven en toegang heeft tot gezond en duurzaam geproduceerd voedsel. In slechts anderhalf jaar ging OnePlanet van een visie om een betere toekomst te creëren naar een R&D-hub. Disruptieve, nieuwe technologieën en domein expertise resulteren daar in baanbrekende innovatieprocessen voor real-life toepassingen. Het research- en innovatiecentrum wordt financieel ondersteund door de Provincie Gelderland.

Ingestibles

Het OnePlanet Research Center, een samenwerkingsverband tussen het onderzoekscentrum voor nano-elektronica imec, Wageningen University and Research, Radboud Universiteit en Radboudumc, ontwikkelt een technologie om mechanische, chemische en elektrische processen in het spijsverteringsstelsel te meten als antwoord op deze uitdagingen. Deze technologie wordt toegepast in ingestibles, kleine, pilvormige apparaatjes die je kunt inslikken en die beschikbaar worden in twee variaties: een met sensoren die ter plaatse detecteren en een die in de darm een staalname kan uitvoeren. Welke ingezet wordt, zal afhankelijk zijn van de toepassing.

Ingestibles voor detectie verzamelen informatie terwijl ze door het spijsverteringsstelsel reizen en sturen deze door 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 te vinden en te volgen die gerelateerd zijn aan metabole gezondheid en de bijbehorende problemen. Ze zouden ook informatie kunnen geven over voeding, spijsverteringsprocessen en de stofwisseling door de concentratie van bepaalde stoffen te monitoren om zo een onbalans 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 bij de inzet van ingestibles meestal gaat over enkelvoudige metingen of steekproeven. Voor deze stoffen kunnen echter ook ingestibles voor staalname een alternatief bieden. Hiermee worden in de darm monsters genomen, waarna de markers buiten de darm worden geanalyseerd, bijvoorbeeld in het labo. Ze kunnen ook worden gebruikt om de concentratie van bepaalde stoffen op verschillende meetpunten te bepalen.

darm pil

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 vanwege de veiligheid en het comfort bij het inslikken. De gewenste reeks functionaliteiten voor metingen in de darm bestaat op die schaal nog niet. Bovendien is de darm, en dan vooral de maag, een extreme omgeving waarin de sensor kan worden aangetast 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, een van de founding fathers van OnePlanet, bouwt aan de technologie voor deze slimme ingestibles. Vandaag de dag heeft imec er al meerdere ontworpen en in capsuleformaat geïntegreerd. Het huidige prototype heeft een batterij-levensduur van meer dan zes dagen bij het meten en draadloos verzenden van gegevens om de drie 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. Bovendien 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.

Ook 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 positioneren 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.

Lokalisatie van de ingestible is cruciaal om na te gaan waar de ontsteking zich bevindt.

OnePlanet test momenteel het prototype van de ingestible in een kunstdarm die de darmomgeving simuleert. Het doel van de tests 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.

oneplanet

Badkamer voor de gezondheid

Slimme pillen zijn uiterst geschikt voor korte, zelfs real time, metingen die helpen bij een diagnose of een beoordeling voor een interventie. OnePlanet ziet ook mogelijkheden voor eenvoudige hulpmiddelen die een langdurige, frequente monitoring voor preventie op lange termijn mogelijk maken.

Het onderzoekscentrum heeft niet gekozen voor draagbare technologie, omdat de gebruiker dan nog steeds verantwoordelijk is voor het omdoen van het item, terwijl net dát 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 project is een onderzoeksplatform waarin oplossingen worden ontwikkeld voor het monitoren van je gezondheid in het comfort van je eigen huis. Dit vanuit de visie dat de badkamer, een plek die je elke dag bezoekt, automatisch dagelijkse controles voor jou kan uitvoeren. Metingen kunnen onopvallend worden gedaan via een slim toilet of andere badkameraccessoires, terwijl persoonlijke feedback ter plaatse kan worden gegeven op basis van onmiddellijke metingen of evoluerende trends over tijd.

In de eerste versie integreert het slimme toiletsensoren om de cardiovasculaire functie te meten, zoals ECG (elektrocardiogram) en PPG (fotoplethysmografie). In de volgende generatie zal ook technologie voor de analyse van urine en ontlasting 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 kunt 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 gebruikgemaakt wordt van de detectietechnologieën in de ingestibles en slimme badkamer. Daarnaast is het een innovatiecentrum voor voedsel-, gezondheids- en landbouwtechnologie. 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 gemakkelijker 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 (bijvoorbeeld: 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 kunt er zelfs een virtueel model 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. Hij helpt niet alleen om de gebruiker feedback te geven over zijn of haar gezondheid, maar helpt ook de professionele zorgverleners bij het formuleren van een persoonlijk advies.

Je digitale tweeling maakt echt gepersonaliseerd voedings- en lifestyle advies mogelijk.

Hulpmiddelen zoals de ingestibles en de slimme badkamer zijn van cruciaal belang bij de ontwikkeling van deze 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.

Over Chris van Hoof
Een verschil maken in het leven van de patiënt en daadwerkelijk bijdragen aan de uitdagingen van ziektepreventie, zijn de ware drijfveren achter de innovaties en hardware/software-oplossingen die Chris Van Hoof bij imec creëert. Na het behalen van een doctoraat in Electrical Engineering aan de Universiteit van Leuven in 1992, heeft Chris functies bekleed als manager en directeur bij imec in zeer uiteenlopende domeinen die zich uitstrekken over technologie, circuits, systemen, data en toepassingen. De afgelopen vijftien jaar heeft hij gezondheidsinnovaties gecreëerd bij imec in het Holst Centre in Nederland. Momenteel is Van Hoof vicepresident R&D bij imec en algemeen directeur van het OnePlanet Research Center in Gelderland. Naast het leveren van industrie-relevante, gekwalificeerde oplossingen aan klanten, resulteerde zijn werk ook in vijf start-ups (vier in het domein van de gezondheidszorg). Hij is tevens hoogleraar aan de Universiteit van Leuven en imec Fellow.

Lees ook
Nederlander wil wel minder snoepen, maar gezond aanbod ontbreekt

Nederlander wil wel minder snoepen, maar gezond aanbod ontbreekt

Tweederde van de Nederlanders wil minder snoepen en snacken of is hier al actief mee bezig, maar gebrek aan gezond aanbod maakt het lastig. Dat blijkt uit onderzoek van het Voedingscentrum.

Verschillen in gezondheid bij plantaardige kazen

Verschillen in gezondheid bij plantaardige kazen

Plantaardige alternatieven voor kaas verschillen onderling in gezondheid, blijkt uit onderzoek van de Consumentenbond. De varianten op basis van noten zijn gezonder dan de producten met kokosolie.

Onderzoek Stanford University: darmflora heeft baat bij fermentatierijke voeding

Onderzoek Stanford University: darmflora heeft baat bij fermentatierijke voeding

Een eetpatroon dat rijk is aan gefermenteerde voeding zorgt voor lagere ontstekingswaarden en een grotere microbiële diversiteit van de darmflora. Kan een voedingsinterventie de prevalentie van chronische inflammatoire ziekten verlagen?