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Sep 10, 2023

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Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 10859 (2022) Citar este artículo

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El análisis de heces ofrece un control simple y no invasivo de muchas enfermedades gastrointestinales (GI) y acceso al microbioma intestinal; sin embargo, el cumplimiento de los protocolos de muestreo de heces sigue siendo un desafío importante debido a la aversión predominante a manipular las heces. Presentamos una tecnología que permite la recolección de muestras de heces individuales de las aguas residuales del inodoro para el análisis molecular y de proteínas fecales. Se utilizaron muestras de heces humanas y una plataforma de prueba de sobremesa integrada con un inodoro comercial para demostrar la recolección confiable de muestras en una amplia gama de consistencias de heces mediante la separación sólido/líquido seguida de erosión por aspersión. Las suspensiones fecales obtenidas se usaron para realizar análisis de sangre oculta para la detección del cáncer gastrointestinal y para el análisis del ARNr 16S del microbioma. Usando kits de prueba de sangre oculta en el hogar, encontramos una concordancia general del 90 % con el muestreo estándar, una sensibilidad del 96 % y una especificidad del 86 %. El análisis del microbioma no reveló diferencias significativas en la diversidad de especies dentro de la muestra en comparación con el muestreo estándar y la contaminación cruzada de las muestras estuvo por debajo del límite de detección del ensayo. Además, informamos sobre el uso de un sensor de turbidez analógico para evaluar en tiempo real las heces sueltas para el seguimiento de la diarrea. La implementación de esta tecnología en entornos residenciales mejorará la calidad de la atención médica GI al facilitar una mayor adherencia a la monitorización rutinaria de las heces.

El monitoreo de salud individual no invasivo realizado por teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles y sensores domésticos ofrece las ventajas de una recopilación de datos objetiva y más frecuente, la conveniencia del monitoreo remoto y promete la integración de estos datos en evaluaciones clínicas significativas de la progresión de la enfermedad y la respuesta al tratamiento1,2. Existe un interés creciente en el control remoto de la salud en la medicina gastrointestinal (GI) para afecciones ampliamente prevalentes, como enfermedades gastrointestinales funcionales, enfermedades autoinmunes y cáncer colorrectal3,4. Se estima que estas condiciones afectan a 1 de cada 10 personas en todo el mundo y tienen un impacto significativo en la calidad de vida, la capacidad para trabajar y los costos de atención médica5,6,7,8.

Tradicionalmente infrautilizadas, las heces son un espécimen biológico atractivo para el control remoto de enfermedades gastrointestinales porque se pueden recolectar de forma no invasiva y longitudinal. Menos invasivo y costoso que una colonoscopia, el análisis bioquímico basado en heces permite la detección de muchas afecciones gastrointestinales agudas y crónicas, como cáncer GI9,10, infecciones entéricas como Clostridium difficile11, respuesta al tratamiento en enfermedad inflamatoria intestinal12,13 y consumo de gluten por pacientes con enfermedad celíaca14. Además del diagnóstico de la enfermedad, el acceso a muestras fecales junto con el análisis molecular y la secuenciación permite el análisis del microbioma intestinal y la búsqueda de una nueva comprensión de la etiología de la enfermedad y de nuevos enfoques terapéuticos en una serie de afecciones intestinales y extraintestinales15, 16,17,18. El análisis de heces densas en el tiempo para la composición de la microbiota podría brindar la capacidad de discernir el efecto de la fisiopatología de factores ambientales como los hábitos dietéticos, los tratamientos farmacológicos y la motilidad intestinal19.

A pesar de ser no invasivo y efectivo, la implementación del análisis basado en heces está severamente limitada en la práctica: los pacientes rara vez pueden producir una muestra de heces durante el encuentro clínico20,22,23,24,25,26,27 y varios estudios de diferentes geografías han encontrado una baja aceptación y adherencia a la vigilancia de enfermedades gastrointestinales basada en pruebas regulares de heces20,21,22,23,24. Los estudios que exploran las barreras a la vigilancia mediante pruebas fecales han encontrado que se prefieren las pruebas de sangre a las pruebas fecales y sugieren que es probable que solo los pacientes con enfermedad activa cumplan con una prueba de heces20,25. Los estudios de vigilancia realizados cuando los pacientes están estables encontraron consistentemente una adherencia de solo el 30% para completar cuatro o más pruebas fecales repetidas21,22,26. Los estudios de encuestas han revelado que una de las principales razones para el cumplimiento deficiente en la detección repetida de heces fue la evitación/el olvido27,28 y más del 60% de los encuestados afirmó que la razón de la baja aceptabilidad de las pruebas fecales fue disgusto/vergüenza en la recolección de heces23,25,29.

Recientemente se han propuesto enfoques para aprovechar mejor los datos basados ​​en heces e integrar el análisis de heces con el uso rutinario del inodoro30,31. Los esfuerzos emergentes de la academia y los fabricantes de inodoros para monitorear las excretas dentro y alrededor de un inodoro se han centrado en el análisis de orina31,32,33,34,35,36,37.

Acceder a muestras fecales es un desafío técnico debido a la naturaleza extremadamente pegajosa del material y su heterogeneidad38,39. Se ha propuesto la captura de imágenes de las heces en la taza del inodoro, ya sea por el usuario40 o sin la intervención del usuario mediante una cámara en el asiento del inodoro31, para rastrear las características de apariencia de las heces, ya que se han informado disparidades significativas entre la evaluación del paciente y las propiedades de las heces, como la consistencia, particularmente para la diarrea41,42,43. Sin embargo, existen importantes tabúes sociales y problemas de privacidad asociados con el funcionamiento de una cámara en un baño y, en particular, en el asiento del inodoro.

Aquí, informamos sobre un enfoque para aislar las heces humanas aguas abajo de un inodoro diseñado específicamente para la recolección y el análisis de muestras. Las aguas residuales se han utilizado durante muchos años para la vigilancia basada en análisis moleculares de enfermedades infecciosas a nivel comunitario para la poliomielitis44 y, desde 2020, se han utilizado ampliamente para la detección de SARS-CoV-2 para evaluar la prevalencia de la infección por COVID-19 a nivel comunitario. nivel comunitario45,46,47,48,49,50,51. En nuestro enfoque, hemos buscado mejorar la resolución del análisis basado en aguas residuales al nivel de un solo inodoro y las heces individuales que se descargan a través de él. El propósito de esta tecnología es hacer que el proceso de muestreo de heces sea automático y continuo con una rutina diaria para una mejor adherencia a un régimen de prueba que permita un mejor manejo de la enfermedad y mejores resultados.

Este trabajo presenta una demostración de prueba de concepto de recolección de heces humanas manos libres para el monitoreo continuo de la salud. El enfoque separa las heces de las aguas residuales después de descargar el inodoro para fines de análisis. Se utiliza un método basado en la erosión por pulverización de tampón para recolectar una pequeña porción de las heces para el análisis bioquímico de una manera que es susceptible de automatización y maneja los problemas de contaminación cruzada. Se realizaron dos tipos de datos fisiológicamente relevantes, mediciones de sangre oculta y análisis de microbioma 16S rRNA, en muestras fecales obtenidas de nuestro sistema prototipo. La integridad analítica de los resultados se evaluó realizando una comparación por pares con muestras de heces muestreadas de forma convencional. Para los casos clínicamente relevantes de heces blandas y acuosas, demostramos un sensor de turbidez analógico en línea con la capacidad de discriminar las heces blandas de otros tipos de aguas residuales para el seguimiento de la diarrea.

Un criterio de diseño fundamental para nuestro enfoque es integrar a la perfección el análisis de heces con el uso rutinario del inodoro sin requerir ninguna acción o cambio de hábito en los usuarios ni generar molestias. Este criterio minimiza las barreras para la adopción y mejora la probabilidad de uso a largo plazo para la recopilación de datos longitudinales. Logramos este objetivo dejando la apariencia y función de la taza del inodoro sin cambios, y operando en la plomería donde el muestreo y el análisis ocurren fuera del alcance del usuario, después de que la muestra sale de la taza.

Otro requisito clave es la capacidad de tomar muestras de las heces de una manera que sea independiente del usuario del baño y susceptible de automatización.

Para ser útil como herramienta de control de la salud, el sistema debe ser capaz de detectar toda la gama clínica de consistencias de las heces, desde el estreñimiento hasta las heces blandas. Una herramienta de diagnóstico médico estándar ampliamente utilizada para categorizar las heces de adultos en función de su apariencia física es la Escala de forma de heces de Bristol (BSFS)38,39, que presenta 7 tipos que van desde BSFS 1 (grumos duros separados, como nueces) hasta BSFS 7 (acuosos, sin piezas sólidas).

Un inodoro con descarga estándar consta de una taza que elimina los excrementos humanos usando agua para descargarlos a través de una tubería de desagüe a otro lugar para su eliminación. Es fundamental para este diseño una sección en forma de U de la tubería de salida que retiene el agua, denominada trampa en P o trampa en S, que actúa como un sello y evita que los gases nocivos se eleven a través del inodoro hacia el baño. Nuestro diseño captura las heces usando un dispositivo integrado en la tubería en la salida del inodoro después de la trampa (Fig. 1) para preservar las propiedades de sellado de olores del inodoro. La inmovilización reversible de toda la materia fecal se logró mediante la separación sólido/líquido y se demostró al lavar las heces en un banco de pruebas de sobremesa (Fig. 1A-C). La inmovilización se logró usando una combinación de fuerzas de transporte de flujo y oclusión por una válvula de compuerta V1 (Fig. 1D). Cuando se cerró V1, la inercia transportó los desechos sólidos a un componente de diseño personalizado impreso en 3D ocluido por V1; agua drenada a través de la válvula V2 y a través de la válvula V3 ubicada en una tubería de desviación. Las heces se inmovilizaron cerca de la válvula V2 y normalmente no estaban en contacto con la válvula de oclusión V1. La mayor parte del agua se drenó a través de la válvula V3, lo que garantiza que la taza se vacíe a una velocidad similar a la de una descarga normal. Encontramos que las heces estaban inmovilizadas en la región cercana a la válvula V2 y alineadas con el puerto de muestreo en el 90 % o más de las pruebas (Fig. 2A) en ambos tipos de inodoros (90 descargas para el inodoro de salida trasera y 40 para la salida inferior). baño); en el resto de los casos, las heces se inmovilizaron típicamente entre la válvula V2 y la válvula V1. Una vez que se inmovilizaron las heces y se drenó el agua, se recolectó una imagen de las heces a través de un puerto utilizando una cámara de inspección a prueba de agua (endoscopio Depstech con iluminación de 6 LED) (Fig. 2B). Tales imágenes de heces individuales son muy adecuadas para la determinación precisa de la morfología de las heces mediante el aprendizaje automático, como informaron anteriormente algunos de estos investigadores52.

(A) Una ilustración del prototipo conectado a un inodoro de salida trasera. (B) Vista de primer plano de la parte inferior del prototipo que se muestra en (A). (C) Imagen del prototipo conectado a un inodoro de salida inferior con endoscopio conectado a una computadora portátil para la recolección de imágenes. (D) Principio de funcionamiento del sistema que incluye 4 válvulas, V1 a V4, e I = puerto de inspección y ventilación. 1. La posición de la válvula para el funcionamiento regular del inodoro, la flecha azul indica la dirección de descarga del agua desde el inodoro hasta la línea de alcantarillado. 2. El taburete está inmovilizado en el área del taburete (rectángulo rojo discontinuo). 3. Un chorro rociado de tampón erosiona la muestra recolectada por gravedad a través de V4. 4. Las heces se tiran al alcantarillado.

(A) Eficiencia de inmovilización medida con sustitutos formados y heces humanas en inodoros de salida trasera e inferior. (B) Imagen in situ de heces humanas inmovilizadas en el prototipo. (C) Imagen de una muestra fecal extraída erosionada por aspersión. (D) Eficiencia de eliminación de heces de la región de inmovilización con 1 descarga de inodoro. (E) Recuento bacteriano por número más probable (MPN) para muestras de heces de diferentes consistencias (tipo BSFS) para la extracción de muestras y después de que se retiraron las heces y se implementó el procedimiento de limpieza en el lugar.

Se extrajo una muestra utilizando un chorro de líquido a alta presión para erosionar y disolver una porción de las heces inmovilizadas (Fig. 2C). La muestra líquida erosionada por el tampón se recogió por gravedad a través de una válvula V4 de punto muerto cero (detalles en la sección "Extracción de muestras") (Fig. 1D, paso 3).

Como último paso de la operación, el resto de las heces se eliminó por el alcantarillado a través de un segundo lavado mientras se retiraba la oclusión de la válvula V1 y se cerraban todas las demás válvulas. La eliminación se logró con un solo lavado en el 90-100% de las pruebas (Fig. 2D).

Una de las principales preocupaciones de la toma de muestras de un material pegajoso, como las heces, es garantizar una contaminación cruzada mínima entre las muestras. Nuestro diseño incluía una válvula de muestreo de volumen muerto cero con el fin de eliminar el volumen estancado o las superficies sobresalientes. También aprovechamos la disponibilidad de agua corriente en la operación de sanitarios para enjuagar superficies. Para determinar el alcance de la contaminación de espécimen a espécimen tras la inmovilización de las heces, medimos las bacterias coliformes fecales, que están naturalmente presentes en las heces.

Las bacterias fecales se cuantificaron utilizando un método de número más probable (MPN) en muestras de un dispositivo ABS impreso en 3D. El ensayo MPN se realizó en muestras de heces extraídas y muestras de lavados en blanco después del lavado de eliminación de heces. La concentración bacteriana fue alta en las muestras de especímenes, como se esperaba (> 104 MPN/mL) (Fig. 2E). La muestra recolectada después del enjuague de desecho contenía un contenido bacteriano muy reducido, de 1 a 3 log de reducción, probablemente asociado con qué tan "limpia" se eliminó la muestra. El procedimiento de limpieza en el lugar en este estudio consistió en un segundo lavado. Probamos especímenes de diferentes consistencias [valor desde BSFS 3 (en forma de salchicha) hasta BSFS 6 (blanda)] y para estas pruebas, este lavado fue adecuado para que el volumen extraído resultara en un contenido bacteriano por debajo del límite de detección del ensayo (3 NMP/mL).

El muestreo estándar para los análisis fecales requiere que una persona inserte una espátula o un palillo ranurado en múltiples regiones de las heces y que inmediatamente diluya la muestra en tampón (Fig. 3). Este proceso es un desafío para automatizar dentro de un entorno de plomería de aguas residuales porque requiere una varilla nueva para cada medición para evitar la contaminación cruzada.

Estudio de muestreo de muestras. Muestreo estándar: (A) Ilustración del procedimiento del fabricante. (B) Distribución de sólidos húmedos totales con un valor medio de 8 mg/mL. (C) Promedio y desviación estándar de sólidos totales de especímenes individuales, n = 3 a 5 para cada espécimen. BS2 = Escala de forma de heces de Bristol 2 indica heces grumosas y de consistencia dura. Prototipo de muestreo (D): Esquema. (E) Distribución de sólidos húmedos totales recogidos del prototipo. (F) Sólidos totales extraídos de especímenes individuales usando un tiempo de rociado de 5 s a la presión indicada.

Proponemos un enfoque de muestreo novedoso que se puede implementar fácilmente en plomería y automatización y que se basa en las características específicas de las heces. El contenido de agua de las heces formadas es en promedio del 75 %53, que es alto en comparación con el material de pasta típico. Por ejemplo, el sustituto de soja utilizado en estas pruebas se midió con un contenido de agua del 54 %, mientras que el contenido medio de agua para heces acuosas en casos de diarrea es del 88 %54. El alto contenido de agua de las heces sugirió que agregar una pequeña cantidad de líquido fue suficiente para transformar las heces sólidas en un líquido que es más fácil de manipular y menos pegajoso.

La extracción de muestras fecales en nuestro diseño se basó en un chorro de rociado de tampón para erosionar las heces y en la recolección de la muestra licuada por gravedad a través de una abertura con válvula. Las ventajas de este enfoque son múltiples: no hay partes mecánicas dentro de la tubería, se puede automatizar fácilmente (del rociado y las válvulas) y es fácil de limpiar. Razonamos que este enfoque produciría una muestra adecuada para el análisis bioquímico, ya que la dilución en tampón es el primer paso de la mayoría de los ensayos fecales.

Los análisis fecales requieren una pequeña cantidad de heces (~ décimas de mg) y, a menudo, toleran un rango de valores. El contenido total de sólidos húmedos en mg/ml es una medida de la dilución de la cantidad de sólidos en el tampón. Las pruebas moleculares para la detección de patógenos en las heces recomiendan una masa de 50 a 200 mg (ver SI), lo que da como resultado 20 a 100 mg/mL de sólidos húmedos, mientras que las pruebas para especies más abundantes como el microbioma requieren una vaga cantidad "pequeña" de heces. Para determinar la cantidad de heces para un ensayo en el punto de atención (POC), medimos la cantidad de sólido recolectado por la varilla en una prueba casera comercial de sangre oculta (Fig. 3A). La Figura 3B muestra los resultados del contenido de sólidos obtenidos mediante el muestreo estándar de 18 heces e ilustra un amplio rango de valores, con una mediana de 8 mg/mL, un promedio de 11 mg/mL y una desviación estándar de 12 mg/mL. La heterogeneidad de la forma de las heces (se midieron BSFS 2–6) explica parte de esta variabilidad; sin embargo, la Fig. 3C muestra que las mediciones repetidas sobre las mismas muestras de heces dieron como resultado una amplia variación (CoV entre 0,2 y 0,7). El rendimiento de nuestro enfoque de extracción propuesto (Fig. 3D) se evaluó utilizando una configuración personalizada con una bomba de caudal ajustable y conectada a una boquilla de precisión.

Exploramos la cantidad de sólido a extraer por erosión por aspersión. Las mediciones se realizaron a múltiples caudales (entre 0,4 y 1,1 L/min, correspondientes a presiones entre 3,6 y 30 psi, según las especificaciones de la boquilla) y diferentes tiempos de pulverización (2 s, 5 s, 10 s). Recolectamos especímenes erosionados por aspersión en viales y determinamos los sólidos totales por secado como se describe en los métodos.

La Figura 3E muestra que la erosión por aspersión nos permitió recolectar una amplia gama de sólidos húmedos desde unos pocos mg/mL hasta 60 mg/mL, y el histograma muestra una amplia gama que cubre completamente la gama del muestreo estándar usando diferentes velocidades de flujo y tiempos de aspersión . Para garantizar que este enfoque permitiera la recolección de soluciones de muestras fecales adecuadas de heces duras (BSFS 2), demostramos que 10 psi produce valores de 2 a 5 mg/mL, comparables con el método estándar. Al aumentar a 30 psi obtuvimos más de 20 mg/mL de sólidos. No se dispuso de heces duras BSFS 1 en terrones para este estudio, pero estos datos y la capacidad de aumentar la presión sugieren que la erosión por aspersión se puede ajustar para obtener muestras de todo el rango de consistencia de las heces. Para heces más blandas, una presión de 3,6 psi fue la más adecuada para obtener un rango de 10 a 20 mg/mL comparable con la concentración media de 8 mg/mL obtenida para el muestreo estándar (Fig. 3F).

Para demostrar la viabilidad de medir un biomarcador de proteína de enfermedad gastrointestinal a partir de muestras de heces obtenidas del prototipo con erosión por pulverización, seleccionamos la prueba inmunoquímica fecal (FIT) de ensayo de flujo lateral (LFA) bien establecida para medir la sangre oculta. La prueba inmunoquímica fecal (FIT) para sangre oculta se basa en la detección de hemoglobina humana y no requiere ninguna restricción de ingesta de alimentos o medicamentos. La prueba FIT presenta una buena sensibilidad y una excelente especificidad para el cáncer GI55 y se recomienda en todo el mundo y por la Sociedad Estadounidense del Cáncer como una prueba de detección anual para personas a partir de los 45 años de edad que tienen un riesgo regular de cáncer GI9,10,56.

Las heces sanas son negativas para sangre oculta y se pueden enriquecer con hemoglobina humana para obtener una lectura positiva, como se ha hecho en las pruebas de competencia de estos kits57. Numerosos kits de ensayo de flujo lateral FIT con ondas CLIA de la FDA para uso doméstico están disponibles con resultados cualitativos (positivos/negativos). Nuestro estudio evaluó las marcas Pinnacle y Accutest57. Ambas pruebas cuentan con un kit de muestreo y un cartucho con una tira inmunocromatográfica para lectura (Fig. 4A). El kit de muestreo es un vial pequeño que contiene un volumen de unos pocos ml (3 ml para Pinnacle, 2,5 ml para Accutest) de tampón, con una tapa que se sujeta a una varilla de plástico ranurada para la recolección de heces. Después de insertar la varilla ranurada en las heces un número prescrito de veces (6 veces), el usuario vuelve a colocar la varilla ranurada en el vial y la agita para disolver las heces en el tampón. El vial del kit tiene una tapa más pequeña para dispensar una cantidad prescrita de gotas de solución fecal al cartucho. Dentro de los 5 minutos de la aplicación de la solución, aparece la línea de control del cartucho y, en presencia de hemoglobina (Hb), aparece el color de la línea de prueba (Supl. Fig. S1).

Efecto del muestreo estándar y prototipo en la prueba casera de sangre oculta. (A) Imagen del kit casero (Pinnacle), que incluye un tubo con tampón, un tapón de rosca y una varilla ranurada para la recolección de muestras y un cartucho para leer los resultados. (B,C) La tasa de positividad (porcentaje de pruebas positivas) de (B) la marca Pinnacle y (C) la marca Accutest para heces humanas enriquecidas con concentraciones variables de hemoglobina (Hb). Flecha negra: límite nominal de detección de la prueba. Las cifras en el segundo eje horizontal son el número de repeticiones. (D) La matriz de concordancia para la comparación por pares en las mismas muestras a una concentración de Hb por encima del límite (10 ng/mg para la marca Pinnacle, 75 ng/mL para Accutest).

El límite de detección de Hb lo establece el fabricante y normalmente es de 50 ng/mL. El límite de detección de Hb expresado como ng de Hb por mg de heces es de 6 ng/mg para Pinnacle y de 50 ng/mg para Accutest.

Comparamos la sensibilidad nominal del kit probando un rango de concentración de Hb que abarca un rango por encima y hasta el umbral nominal. Usando PBS como tampón para la erosión, obtuvimos muestras de erosión por aspersión con un contenido de sólidos húmedos que oscilaba entre 5 y 25 mg/mL y aplicamos un volumen equivalente a las gotas (75 μL) al cartucho (Supl. Fig. S1). La Figura 4B muestra una curva de sensibilidad para el muestreo estándar con lecturas positivas del 100 % (n = 18) a 10 ng/mg Hb, un valor por encima del límite de sensibilidad nominal, y 4 % (n = 26) positivas para muestras no enriquecidas. La lectura de las muestras del cartucho del prototipo fue similar, con un 100 % de lecturas positivas por encima del límite de detección y un 7 % positivo para las muestras sin enriquecimiento. Se realizó un estudio similar en el ensayo Accutest usando 100 μL de suspensión (Fig. 4C) para reforzar el caso de que el muestreo prototipo logró la misma concentración de detección analítica que el muestreo estándar.

Para determinar la sensibilidad, la especificidad y la concordancia total de los resultados de la prueba obtenidos mediante el muestreo prototipo en relación con el método estándar, realizamos una comparación por pares de métodos de muestreo en las mismas muestras con una concentración de pico de Hb fija. Para el ensayo Pinnacle, la sensibilidad fue del 95 %, la especificidad del 83 % y un total de 38 de los 43 pares fueron concordantes (88 %) (Fig. S2). Los pares de prueba discordantes se debieron principalmente a que el muestreo del prototipo fue positivo, mientras que el estándar fue negativo. Esto fue causado típicamente por una gran concentración de sólidos (60 mg/mL en dos casos). Para el ensayo Accutest (Fig. S3), 19 de 20 pares fueron concordantes (95%). En general, encontramos un acuerdo del 90 % con una sensibilidad del 96 % y una especificidad del 86 % (Fig. 4D).

Con el ensayo Pinnacle, también recopilamos datos de prueba de concepto que sugieren que los factores de interferencia como el papel higiénico (que cubre las heces durante la erosión por rociado) y la orina (heces bañadas en orina diluida que imitan la taza del inodoro) no afectan el rendimiento del ensayo durante los 60 s anteriores. a la erosión). Medimos un 100 % de concordancia con la verdad (definido como resultado positivo/negativo para heces enriquecidas/no enriquecidas respectivamente) para n = 5 pruebas en cada condición para papel higiénico y orina.

El objetivo de este experimento fue demostrar la viabilidad del análisis de microbiomas en muestras recolectadas de nuestro sistema. Se obtuvieron muestras de heces y se tomaron muestras con una espátula para el procesamiento estándar. Luego, el mismo taburete se colocó en la taza del inodoro, se descargó y se recolectaron muestras por erosión por aspersión. El estudio utilizó 4 taburetes, S1, S2, S3, S4. Cuando se colocaron las heces S4 en la taza del inodoro, también se agregaron 500 ml de orina durante un minuto antes de la descarga para explorar los posibles efectos de contaminación de la orina, por lo que denotamos la muestra como S4u. S1 se midió en 6 réplicas biológicas, S2, S3, S4u en triplicados para ambos enfoques de muestreo. Se centrifugaron seis réplicas de S1 adicionales y se usó el lodo concentrado para el análisis. Un total de n = 36 muestras se sometieron a análisis de microbioma 16S rRNA.

Se encontró que la concentración de ADN extraído del portal de muestreo de heces era abundante (64 ng/μL en comparación con 269 ng/μL para la muestra convencional) y más que adecuada para la secuenciación del gen del ARN ribosomal 16S. Las 36 muestras enviadas cumplieron con los criterios mínimos para el análisis. El análisis de la abundancia relativa de grupos taxonómicos bacterianos por orden mostró a Clostridiales y Bacteroidales como el primero y el segundo más abundante, como se esperaba en sujetos sanos58 (Supl. Fig. S4).

Cuantificamos la diversidad microbiana dentro de la muestra (diversidad α) para el muestreo estándar y nuestro muestreo de diseño, y la diferencia entre muestras, es decir, entre enfoques de muestreo (diversidad β).

La diversidad de especies dentro de la muestra (diversidad α, índice de diversidad de Shannon) no cambió significativamente a través del enfoque de muestreo (Fig. 5A). Los análisis de diversidad alfa se realizaron utilizando un modelo lineal de efectos mixtos con enfoque de muestreo como efecto fijo y heces como efecto aleatorio; Los valores de p no fueron significativos, incluidos para S4u, la muestra enjuagada con orina.

Resultado del análisis de microbioma de n = 36 muestras fecales de heces S1, S2, S3 y s4u. (A) Diversidad de especies microbianas dentro de la muestra (diversidad alfa, índice de Shannon) por heces y por enfoque de muestreo. * indica muestra centrifugada antes de la extracción de ácido nucleico. (B) Agrupamiento jerárquico utilizando el índice de diversidad beta que muestra la distancia taxonómica: el agrupamiento es alrededor de las heces, no alrededor del enfoque de muestreo. (C) Valor P del análisis permanova de la métrica de diversidad beta que compara los métodos de muestreo (estándar frente a prototipo) para los grupos de prueba de interés: todas las muestras de heces (controlando las heces), heces 1 y heces 4u. P < 0,05 es estadísticamente diferente.

La diversidad beta se calculó para cada par de especímenes para múltiples métricas (a saber, Bray-Curtis, Jaccard, UniFrac y UniFrac no normalizado ponderado). El agrupamiento jerárquico se realizó utilizando métricas de diversidad beta. Una ilustración de diagrama de árbol del índice de diversidad beta de Bray Curtis en la Fig. 5B muestra los datos agrupados en torno al enfoque de espécimen y no de muestreo. Estos datos ilustran que la variación interindividual del microbioma, una característica conocida del microbioma de los individuos sanos59, es un factor más importante que el enfoque de muestreo.

Se utilizó un análisis de varianza multivariante permutacional (Permanova) de la diversidad beta para comparar los dos enfoques de muestreo y probar la hipótesis nula.

Los resultados se mezclaron según las métricas y las heces (Fig. 5C), con valores de p por debajo de p = 0,05 considerados significativos, lo que indica una diferencia introducida por el enfoque de muestreo. Creemos que el tipo de tampón utilizado en el muestreo de erosión por aspersión puede tener efectos, ya que se ha informado que el almacenamiento en diferentes tipos de tampones influye en los perfiles del microbioma fecal60. Curiosamente, para las heces S4u, los cuatro índices dieron como resultado una p = 0,1 o más en el análisis de permanova, lo que respalda nuestra hipótesis de que la contaminación por orina es una preocupación limitada. En nuestro diseño, el tiempo de contacto entre la orina y las heces es limitado en el tiempo, a diferencia de las muestras que contaminan con orina recolectadas con un kit de recolección de heces.

El método de muestreo de heces basado en la separación sólido/líquido es adecuado para una amplia gama de consistencias de heces. Una limitación es que no se puede utilizar para heces completamente acuosas (es decir, BSFS 7); sin embargo, varias condiciones fisiológicas dan como resultado heces sueltas o acuosas, y la aparición de tales heces es en sí misma un biomarcador gastrointestinal importante. Específicamente, la diarrea se define clínicamente como el paso de 3 heces blandas en un período de 24 horas. En la práctica convencional, este diagnóstico generalmente se basa en el autoinforme y, por lo tanto, adolece de una precisión limitada que afecta el tratamiento. Aquí, proponemos un método no invasivo para monitorear la diarrea que se basa en un sensor analógico en línea con las tuberías de efluentes del inodoro y es compatible con la configuración descrita en la Fig. 1.

Descubrimos que la turbidez nefelométrica, una medida basada en la dispersión de la luz de las partículas suspendidas en la solución, es una medida sensible de la presencia de heces disueltas en una solución de agua. En pruebas por lotes estáticas (sin flujo), mezclamos agua, orina humana y heces (tanto formadas como líquidas) en concentraciones que simulan el uso de un inodoro, como se describe en los Métodos. Las heces formadas en agua dieron como resultado valores de turbidez que oscilaron entre 10 y 120 FNU (unidad nefelométrica de formazina), significativamente diferentes de la línea de base del agua (T = 0,7 FNU) y de la orina añadida al agua (T = 1,1 ± 0,3 FNU, n = 5). Las heces completamente disueltas en agua, emulando unas heces acuosas BSFS 7, dieron como resultado una saturación de la lectura de turbidez > 1000 FNU (Fig. 6A).

(A) Lecturas del medidor de turbidez estática de una solución que contiene heces de diferente forma según lo definido por el BSFS medido después de t = 1 min de inmersión. (B) Salida del sensor registrada sobre descargas de inodoro (en t = 30 s) solo para agua y orina y heces formadas. (C) Salida del sensor registrada para especímenes disueltos lavados en un tiempo predeterminado correspondiente al pico (las curvas se desplazan sobre el eje vertical y horizontal para mayor claridad). (D) Gráfico de conglomerados del área bajo la curva de la salida del sensor por tipo de espécimen, los puntos de datos están espaciados para mayor claridad. La línea punteada representa un umbral propuesto de 2 Vs que separa la muestra disuelta de otros tipos de aguas residuales.

Utilizamos un sensor de turbidez analógico a prueba de agua (SEN0189) diseñado para monitorear la turbidez del agua en los electrodomésticos para obtener una medición dinámica de la turbidez dentro de las tuberías de aguas residuales. El sensor se calibró con el medidor de turbidez Hach 2100Q (suplemento Fig. S5) y se encontró que era lineal hasta un contenido de sólidos húmedos de 30 mg/mL, más que adecuado para detectar diarrea en las aguas residuales del inodoro. Se encontró que el efecto del papel higiénico en el sensor de turbidez era insignificante. Usando una cantidad de papel higiénico informada por el estándar ASME 112.19.2 para accesorios de plomería de cerámica (en "Métodos"), realizamos mediciones pareadas en diferentes concentraciones de sustituto de heces (pasta de soya) y/o bajo diferentes condiciones (revuelto o sedimentado), con y sin papel higiénico añadido. El papel higiénico no resultó en lecturas significativamente diferentes (p = 0,7334 para n = 12 mediciones pareadas con y sin papel higiénico). Esto no fue sorprendente ya que el tiempo de desintegración del papel higiénico varía de 10 min a horas61, y se ve facilitado por la turbulencia extensa en un sistema de alcantarillado, mucho más allá de la pequeña tubería que sale de un inodoro62.

Instalamos la sonda de turbidez en la configuración de sobremesa del inodoro de salida trasera para evaluar su respuesta dinámica durante la descarga del inodoro. La sonda estaba instalada en la tubería de aguas residuales sumergida en el agua de la trampa en S y el adaptador electrónico estaba fuera de la tubería (Suplemento Fig. S6). La salida de la sonda del sensor se recopiló con el siguiente protocolo: registro de 60 s, heces u orina vertida en la taza en t = 10 s, inodoro tirado en t = 30 s. La Figura 6B ilustra la lectura típica de agua y heces formadas: la turbulencia creada por una descarga puede provocar un breve pico de ruido durante la descarga, pero la salida no cambia. El lavado de una solución turbia de heces disueltas o sustituto creó la firma de un pico de unos pocos segundos de ancho en t = 30 s (Fig. 6C). Ocasionalmente, el vertido de la muestra disuelta en la taza antes de la descarga generaba una señal del sensor de turbidez (curva superior en la Fig. 6C) que indicaba que la muestra disuelta había cruzado la trampa en S y alcanzado el sensor sin descargar el inodoro. El área bajo la curva medida para todas las señales medidas alrededor de la descarga se representa en la Fig. 6D. Los valores de agua, orina y heces formadas son cero o inferiores a 2 V; los valores medidos para muestras disueltas están por encima de 2 V, lo que indica que la métrica AUC se puede utilizar como umbral para discriminar la presencia de heces blandas.

Podría decirse que la aversión a manipular las propias heces es la barrera más significativa para aprovechar los datos de salud de este espécimen fisiológico23,25,29. Este estudio demostró la viabilidad de la recolección de heces del efluente del inodoro y la idoneidad de la muestra para el análisis bioquímico.

Trabajos publicados anteriormente sobre el análisis de heces relacionadas con el baño utilizaron sensores o receptáculos en la taza del inodoro o en el asiento para obtener imágenes de las heces y no lograron la especificidad diagnóstica de los ensayos biomoleculares31,34. Presentamos una configuración que logra la separación sólido/líquido de una muestra de heces en una región específica de la tubería de aguas residuales y el muestreo de heces por erosión por aspersión. Esta configuración es ventajosa porque minimiza las partes mecánicas dentro del conducto de alcantarillado que pueden ensuciarse y fallar, no induce manchas mecánicas de la muestra que pueden causar contaminación cruzada y es susceptible de control automatizado.

Este enfoque de muestreo de heces que ocurre después del uso de un inodoro convencional fuera del alcance del usuario eliminará barreras significativas para la recolección de muestras de heces. Visualizamos el sistema de muestreo de heces instalado en el hogar para el monitoreo longitudinal de la salud y la enfermedad intestinal. El análisis de heces se puede realizar en el sitio, mediante dispositivos POC que miden un biomarcador apropiado para una afección crónica diagnosticada, o mediante análisis de laboratorio con fines de investigación y evaluación de la salud.

Demostramos la integridad analítica de la muestra fecal muestreada utilizando un kit de POC clínico establecido para sangre oculta para la detección del cáncer gastrointestinal. Creemos que el enfoque se puede aplicar a biomarcadores de heces adicionales para los cuales el monitoreo frecuente mejora los resultados clínicos. Por ejemplo, el enfoque podría utilizarse para medir la calprotectina fecal, que se está generalizando en las decisiones de tratamiento de la enfermedad inflamatoria intestinal63. Los ensayos POC basados ​​en heces también se pueden usar para detectar la exposición inadvertida al gluten en pacientes con enfermedad celíaca que siguen dietas sin gluten14.

El enfoque de muestreo de este estudio arrojó muestras adecuadas para el análisis de microbiomas. Si bien el número de muestras es limitado, nuestros datos sugieren que el análisis del microbioma 16S rRNA se puede realizar fácilmente con muestras erosionadas por aspersión y que la mezcla de orina con heces en aguas residuales no parece causar un efecto medible. Se necesitan más estudios para optimizar la selección de tampones e implementar el sellado automático de muestras licuadas para su envío a un laboratorio.

Observamos que los dos ensayos utilizados en este estudio no dependen de la cantidad exacta de heces analizadas, como también es el caso de la detección de patógenos fecales basada en análisis molecular. El trabajo futuro examinará la viabilidad de los ensayos fecales cuantitativos, como el análisis de metabolitos, mediante el análisis del sedimento sólido obtenido de la centrifugación de una muestra fecal erosionada por rociado.

También demostramos un enfoque de detección en tiempo real para heces sueltas en aguas residuales. La aparición de heces sueltas/acuosas con el tiempo es clínicamente importante para diagnosticar y tratar adecuadamente la diarrea. A pesar de que una evaluación visual de las heces se puede implementar fácilmente después del uso del baño, el seguimiento de las deposiciones es complicado y propenso a la inexactitud y puede retrasar y degradar la intervención terapéutica, particularmente en una condición común y crónica como el Síndrome del Intestino Irritable43.

Este estudio fue una demostración de factibilidad y tiene algunas limitaciones. El sistema de prueba era dos veces más grande que un inodoro y no cabía en el espacio ocupado por un baño estándar (con una distancia de 12″ entre el desagüe del piso y la pared según el código de construcción). Los esfuerzos de ingeniería en curso se centran en hacer que el sistema sea más compacto para que pueda instalarse en un baño sin modificar la infraestructura y en la automatización de la operación de las válvulas de flujo. Este estudio también se limitó al uso de heces humanas sanas recolectadas fuera del sistema de inodoro. El trabajo futuro demostrará el enfoque con muestras clínicas y sujetos humanos que usan el sistema. Un factor importante en el uso del baño en el mundo occidental, el papel higiénico, no se evaluó sistemáticamente en este estudio, aunque los datos preliminares sugieren que el papel higiénico no afecta los resultados de las pruebas POC y las mediciones de turbidez.

Mirando la implementación final de esta tecnología como un sistema de monitoreo doméstico, anticipamos que el costo será asequible porque el sistema no requiere materiales especiales o actuación de alto rendimiento, y esencialmente se basa en formas de tubería y válvulas disponibles comercialmente para regular el flujo de agua. de la descarga de la cisterna existente. Visualizamos un sistema con un costo en el rango medio de los precios actuales de los inodoros y cuya compra en última instancia puede ser cubierta por un seguro médico.

En conclusión, hemos presentado una configuración que permite la recolección de muestras de heces individuales de las aguas residuales del inodoro para ensayos bioquímicos. Los datos aquí presentados respaldan el desarrollo adicional del enfoque para lograr una recopilación de datos de biomarcadores de heces sin interrupciones para un estándar más alto de monitoreo de la salud y la enfermedad intestinal.

Se recolectaron muestras de heces y orina de voluntarios anónimos sanos de acuerdo con un protocolo aprobado por el Sistema de Salud de la Universidad de Duke IRB 0010-5536. Todos los procedimientos del estudio se realizaron de acuerdo con la declaración de Helsinki y las normas y procedimientos pertinentes de la Universidad de Duke, y se obtuvo el consentimiento informado de todos los participantes.

Las heces se recogieron en gorros de plástico para inodoro y se almacenaron a 4 °C y antes de cualquier prueba se permitió que se equilibraran a temperatura ambiente durante 2 h. La orina se recolectó en botellas estériles de 500 mL y se almacenó a 4 °C hasta su uso. Como sustituto de las heces, se realizaron experimentos con cilindros de pasta de soya64, tanto en funda de látex como sin funda, según lo prescrito en las normas de prueba de accesorios cerámicos de plomería ASME 112.19.2. La cantidad utilizada en las pruebas con sustitutos es de 100, 150 y 200 go dos muestras de 50 g. La cantidad de heces humanas utilizadas en los experimentos es de 50 o 100 g, a menos que se indique lo contrario (la mediana del peso húmedo de las heces en los países de ingresos altos es de 128 g53). El volumen de orina expulsado cada vez por un adulto normal suele oscilar entre 250 y 400 ml, con valores medios informados de 233 (1400/6) ml53.

El sistema se probó con inodoros comerciales de lavado de dos tipos: un inodoro de salida trasera (Saniflo 093) y un inodoro de salida inferior (Kohler Wellworth K-4198), con cisterna eficiente en agua (descarga de 4,8 L). El volumen de agua en la taza del inodoro se midió como 1,85 ± 0,17 L para el inodoro de salida inferior. Se instaló un conector de trampa en P de salida trasera (Signature Hardware) con sello de goma en la salida de 3″ de los inodoros, y se usaron tuberías, codos y conectores de PVC de 3″ para conectar a la parte de diseño personalizado. La tubería de inmovilización y muestreo de heces se dibujó con SolidWorks y se imprimió en 3D en múltiples versiones en material PLLA y ABS. Incluye un orificio de inmersión suave y un puerto de muestreo ubicado en la parte inferior para recolectar líquido por gravedad. La válvula 1 es una válvula de compuerta de 3″, V2 es una válvula de compuerta de 2″; La válvula 3 es una válvula de bola que se acopla a un conector incluido en la pieza impresa en 3D para minimizar el volumen muerto. La válvula 4 para la extracción de muestras era un cierre de tipo oscilante impreso en 3D con un tapón de goma del tamaño para garantizar que no hubiera tramos muertos.

Se utilizó el kit de recogida de muestras de un ensayo de sangre oculta (Pinnacle Biolabs) para medir la masa de heces utilizada en el muestreo estándar. La masa de heces en la varilla ranurada del kit se midió utilizando una balanza analítica. La balanza también se utilizó para medir el volumen de tampón en el kit de recolección (3 mL y 2,5 mL). El contenido de sólidos húmedos de la suspensión preparada con el kit estándar se calculó por relación.

La erosión por aspersión se logró con una bomba (PowerFlo de 12 V), alimentada por una fuente de alimentación de voltaje ajustable. El tampón se bombeó a través de un tubo de nailon de ¼ de pulgada y un adaptador a una boquilla de precisión (Lechlert 632.404). El caudal se midió en el rango de 0,4 a 1,1 litros por minuto y la presión de pulverización se calculó a partir del gráfico del fabricante de la boquilla. Se utilizaron muestras fecales de 35 g cada una. La muestra licuada se recogió por gravedad desde el puerto de muestreo inferior en un tubo de centrífuga estéril de 15 ml.

Para comparar los resultados de la erosión por aspersión con el muestreo estándar, se determinó el contenido de sólidos húmedos de la suspensión erosionada. En primer lugar, se midió el contenido de masa sólida seca según el método convencional de sólidos totales (estufa a 105 °C durante al menos 4 h). Dada la definición de contenido de humedad CM (%) = (peso húmedo − peso seco)/ peso húmedo; el peso de sólidos húmedos se calculó utilizando un valor nominal de MC del 75% para las heces. El contenido de humedad de las heces oscila entre el 50 y el 80 % con un valor medio del 75 % en varios estudios53. Todos los resultados de contenido de sólidos informados en este trabajo son peso de sólidos húmedos.

Las bacterias se enumeraron utilizando un método de número más probable (MPN) como se describió anteriormente65. Las muestras se recogieron en tubos de centrífuga estériles y se almacenaron a 4 °C hasta la siembra. Se realizaron diluciones en serie (10-1-10-8) de cada muestra por triplicado en caldo de lisogenia en placas de cultivo celular estériles de 48 pocillos. Las muestras se incubaron a 37 °C durante 48 h antes de ser analizadas.

Se utilizaron dos ensayos para la detección de hemoglobina humana (Hb): 1. el FIT de segunda generación de Pinnacle Biolabs, con un corte nominal de 50 ng/ml de Hb en tampón (equivalente a 6 μg de Hb/g de heces); y 2. Accutest® iFOBT, de Jant Pharmacal Corporation con un límite nominal de 50 ng/ml de Hb en tampón o 50 μg de Hb/g de heces.

Los kits se usaron según las instrucciones del fabricante. La varilla ranurada se clavó 6 veces en la muestra de heces, luego la varilla ranurada se atornilló al tubo de solución amortiguadora (3 ml Pinnacle, 2,5 ml Accutest) y se agitó manualmente. Se quitó una tapa de la punta del tubo para dispensar (3 gotas, Pinnacle medido como 75 μL, o 4 gotas medido como 100 μL, Accutest) de suspensión en el cartucho.

Se usó hemoglobina humana (H7379-1G, Sigma Aldrich) para la adición. Se desarrolló un procedimiento personalizado para pinchar heces enteras manteniendo la forma. El proceso consiste en plegar manualmente 50 veces las heces enteras mezcladas con solución adicional (100–500 μL de solución por 100 g de sólido) usando una espátula como se muestra en el Video complementario S3.

Para que esta prueba sea reproducible, se mezclaron cantidades fijas de heces y orina en un recipiente en el banco y luego se colocaron manualmente en el prototipo para la erosión por aspersión. Se utilizó el límite superior del volumen de orina de 500 ml. Por razones prácticas, las cantidades se redujeron por un factor de 5. Combinamos 200 g/5 = 40 g de heces, 500 ml/5 = 100 ml de orina y 1,85/5 = 0,4 L de agua (que representa el volumen del recipiente). Después de 1 min, las heces se recogieron con una cuchara ranurada y se colocaron en el prototipo para erosión por aspersión a 10 psi durante aproximadamente 5 s.

Para que esta prueba sea reproducible, combinamos cantidades fijas de heces y papel higiénico en un recipiente y las colocamos en el prototipo para la erosión por aspersión. Recolectamos el espécimen con una varilla acanalada para el análisis de sangre oculta por método estándar antes de agregar el papel higiénico. Usamos 40 g de heces y 6 hojas de papel higiénico y las combinamos con 400 ml de agua para humedecer completamente el papel higiénico. Usando una cuchara ranurada, recolectamos el taburete y el papel higiénico y lo colocamos en el prototipo asegurándonos de que el papel higiénico cubriera el taburete. Realizamos la erosión por aspersión a 10 psi durante aproximadamente 5 s y recolectamos el líquido erosionado sin cambiar el procedimiento.

Se tomaron muestras de heces según las instrucciones de Duke Genomics and Computational Biology (GCB) Microbiome Shared Resource (MSR). Una espátula de metal alcanzó el centro de las heces y extrajo ~ 250 mg de muestra. Se realizaron seis colecciones de este tipo en regiones separadas de las heces, cada una de las cuales llegaba al núcleo de las heces. Las muestras extraídas se colocaron en un criovial de 1,2 mL.

Luego, se colocó la misma materia fecal en la taza del inodoro y se la tiró, y se recogieron muestras secuenciales erosionadas por rociado en un tubo de centrífuga estéril de 15 ml. Una parte de las muestras líquidas recogidas se transfirió a un criovial de 1,2 ml. Para el espécimen S1, se centrifugaron seis réplicas a 5000 RPM durante 10 min y se descartó el sobrenadante para proporcionar un lodo más concentrado para el análisis.

Después de almacenarlas durante la noche a -20 °C, las muestras se transfirieron en hielo a GCBMSR, donde se almacenaron a -80 °C hasta que se procesaron de acuerdo con los protocolos estándar.

El ADN microbiano total se extrajo mediante protocolos estandarizados por Human Microbiome Roadmap Initiative. El ADN se aisló utilizando el kit de aislamiento Qiagen PowerSoil ProDNA. La concentración de ADN extraído se midió con el espectrómetro Nanodrop8000 y se encontró que era tan abundante como 64 ng/μL para la muestra procesada y 269 ng/μL para la muestra convencional.

La composición de la comunidad bacteriana en muestras de ADN aisladas se caracterizó mediante la amplificación de la región variable V4 del gen 16S rRNA por reacción en cadena de la polimerasa utilizando el cebador directo 515 y el cebador inverso 806 16S rRNA siguiendo el protocolo del Proyecto Earth Microbiome. Los cebadores (515F y 806R) llevan códigos de barras únicos que permiten la multiplexación y cosecuenciación de cientos de muestras a la vez. Los productos de PCR de ARNr 16S equimolares se cuantificaron utilizando Promega GloMax y se agruparon para la secuenciación. La secuenciación se realizó en un secuenciador Illumina MiSeq con 250 ciclos de secuenciación de pares de pares de bases (con hasta 384 muestras por ciclo de secuenciación de carril). Las lecturas sin procesar se procesaron en tablas de recuento de variantes de secuencia de amplicones (ASV) a través de Qiime 2.0. Los datos se sometieron a un control de calidad eliminando el ruido y desreplicando las lecturas y mediante un filtrado adicional. La taxonomía se asignó a los ASV utilizando el clasificador de taxonomía q2‐feature‐classifier classify‐sklearn naïve Bayes contra la base de datos SILVA 132. El control de extracción negativo se usó para filtrar ASV contaminantes potenciales utilizando umbrales de cuantificación de ADN de prevalencia y post-PCR a través del paquete Decontam en R.

Para las mediciones estáticas de turbidez se utilizó un turbidímetro calibrado Hach 2100Q (Hach, Colorado, EE. UU.). Se emuló un solo uso del inodoro utilizando valores fisiológicos de excretas de 130 g de masa de heces y 400 ml de orina en un volumen de descarga de cisterna de 4,8 L, lo que resultó en 0,03 g/ml de heces, 0,08 ml/ml de orina en agua vol/vol. Representamos el uso de papel higiénico según valores de 4 ovillos de 6 láminas de una sola capa exigidos por la norma ASME 112.19.2.

Para las mediciones dinámicas, se obtuvieron especímenes disueltos a partir de muestras formadas diluyéndolas 1:1 en peso en agua y mezclándolas para obtener una suspensión homogénea para replicar las mediciones de prueba de 100 ml.

Se conectó una sonda de turbidez analógica con cables y placa (SEN0189 de DF Robot) a una placa Arduino Uno (DFRduino UNO v3, DF Robot). Arduino se utilizó para desarrollar el código de los sensores y el software Teraterm para convertir la grabación en un archivo .CSV se utilizó para registrar los datos del sensor de turbidez con una resolución temporal de 0,25 s.

Todos los datos, excepto los del microbioma, se trazaron en Microsoft Excel 2016. Los datos de turbidez se analizaron con GraphPad Prism 9.1.2. La normalidad de las diferencias entre las mediciones de turbidez pareadas se verificó mediante la prueba de Anderson-Darling, con un valor de p < 0,05 considerado estadísticamente significativo. Dado que las diferencias en las mediciones fallaron en la prueba de normalidad (p = 0,0006), se utilizó una prueba no paramétrica (prueba de rango con signo de pares emparejados de Wilcoxon) para determinar si las diferencias entre las mediciones emparejadas eran significativas (p < 0,05).

Todos los datos asociados con este estudio están presentes en el documento o en los Materiales complementarios. Toda la información y los materiales se pueden solicitar al autor correspondiente.

Gambhir, SS, Ge, TJ, Vermesh, O. y Spitler, R. Hacia el logro de una salud precisa. ciencia Traducir Medicina. 10(430), eaao3612 (2018).

PubMed PubMed Central Google Académico

Taylor, KI et al. Medidas de resultado basadas en datos de sensores de tecnología de salud digital: enfoques centrados en datos y pacientes. npj Dígito. Medicina. 3(1), 1–8 (2020).

Google Académico

Kernebeck, S. et al. Impacto de las aplicaciones médicas y de salud móviles en la práctica clínica en gastroenterología. Mundo J. Gastroenterol. 26(29), 4182 (2020).

PubMed PubMed Central Google Académico

Mathews, SC & Sakulsaengprapha, V. Panorama de salud digital en gastroenterología y hepatología. clin. Gastroenterol. Hepatol. 19(3), 421-424.e2 (2021).

Académico de Google de PubMed

Black, CJ & Ford, AC Carga global del síndrome del intestino irritable: tendencias, predicciones y factores de riesgo. Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 17(8), 473–486 (2020).

Académico de Google de PubMed

Sperber, AD et al. Prevalencia mundial y carga de los trastornos gastrointestinales funcionales, resultados del estudio global de la Fundación Roma. Gastroenterología 160(1), 99-114.e3 (2021).

Académico de Google de PubMed

Jairath, V. & Feagan, BG Carga global de la enfermedad inflamatoria intestinal. Lancet Gastroenterol. Hepatol. 5(1), 2–3 (2020).

Académico de Google de PubMed

Arnold, M. et al. Carga global de 5 tipos principales de cáncer gastrointestinal. Gastroenterología 159(1), 335-349.e15 (2020).

Académico de Google de PubMed

Bibbins-Domingo, K. et al. Detección del cáncer colorrectal: declaración de recomendación del Grupo de trabajo de servicios preventivos de EE. UU. JAMA 315(23), 2564–2575 (2016).

CAS PubMed Google Académico

Allison, JE, Fraser, CG, Halloran, SP y Young, GP La detección de la población para el cáncer colorrectal significa obtener FIT: El pasado, presente y futuro de la detección del cáncer colorrectal mediante la prueba inmunoquímica fecal para la hemoglobina (FIT). Gut Liver 8(2), 117 (2014).

PubMed PubMed Central Google Académico

Peng, Z. et al. Avances en el diagnóstico y tratamiento de infecciones por Clostridium difficile. emergente Los microbios infectan. 7(1), 1–13 (2018).

Google Académico

Theede, K. et al. La calprotectina fecal predice la recaída y la cicatrización histológica de la mucosa en la colitis ulcerosa. inflamacion enfermedad intestinal 22(5), 1042–1048 (2016).

Académico de Google de PubMed

Colombel, J.-F. et al. Efecto del manejo de control estricto en la enfermedad de Crohn (CALM): un ensayo de fase 3 multicéntrico, aleatorizado y controlado. Lanceta 390 (10114), 2779–2789 (2017).

Académico de Google de PubMed

Comino, I. et al. Los péptidos de gluten fecal revelan las limitaciones de las pruebas serológicas y los cuestionarios alimentarios para el seguimiento de la dieta sin gluten en pacientes con enfermedad celíaca. Soy. J. Gastroenterol. 111(10), 1456 (2016).

ADS PubMed PubMed Central Google Académico

Tilg, H., Adolph, TE, Gerner, RR & Moschen, AR La microbiota intestinal en el cáncer colorrectal. Cancer Cell 33(6), 954–964 (2018).

CAS PubMed Google Académico

Cryan, JF y col. El eje microbiota-intestino-cerebro. Reseñas fisiológicas (2019).

Halfvarson, J. et al. Dinámica del microbioma intestinal humano en la enfermedad inflamatoria intestinal. Nat. Microbiol. 2(5), 1–7 (2017).

Google Académico

Maruvada, P., Leone, V., Kaplan, LM y Chang, EB El microbioma humano y la obesidad: ir más allá de las asociaciones. Cell Host Microbe 22(5), 589–599 (2017).

CAS PubMed Google Académico

Cani, PD Microbioma intestinal humano: esperanzas, amenazas y promesas. Tripa 67(9), 1716–1725 (2018).

CAS PubMed Google Académico

Khakoo, NS et al. La adherencia del paciente a la prueba de calprotectina fecal es baja en comparación con otras pruebas solicitadas comúnmente en pacientes con enfermedad inflamatoria intestinal. Colitis de Crohn 360 3(3), otab028 (2021).

Google Académico

Östlund, I., Werner, M. y Karling, P. El autocontrol con calprotectina fecal en el hogar se asocia con un mayor tratamiento médico. Un ensayo controlado aleatorio en pacientes con enfermedad inflamatoria intestinal. Escanear. J. Gastroenterol. 56, 38–45 (2021).

Académico de Google de PubMed

Puolanne, A.-M., Kolho, K.-L., Alfthan, H. & Färkkilä, M. ¿Es viable el control domiciliario de la enfermedad inflamatoria intestinal? Un estudio controlado aleatorizado. Escanear. J. Gastroenterol. 54(7), 849–854 (2019).

CAS PubMed Google Académico

Gordon, NP y Green, BB Factores asociados con el uso y la falta de uso del kit de prueba inmunoquímica fecal (FIT) para la detección del cáncer colorrectal en respuesta a un programa de detección de extensión de 2012: un estudio de encuesta. BMC Public Health 15(1), 1–12 (2015).

Google Académico

Verde, BB et al. Impacto de las pruebas fecales continuas enviadas por correo en el hogar médico centrado en el paciente: año 3 del ensayo aleatorio Sistemas de apoyo para aumentar la detección y el seguimiento del cáncer de colon. Cáncer 122(2), 312–321 (2016).

Académico de Google de PubMed

Kalla, R. et al. Percepciones de los pacientes sobre las pruebas de calprotectina fecal en la enfermedad inflamatoria intestinal: resultados de una encuesta prospectiva multicéntrica basada en pacientes. Escanear. J. Gastroenterol. 53(12), 1437–1442 (2018).

CAS PubMed Google Académico

McCombie, A. et al. Un ensayo clínico aleatorizado de no inferioridad del uso de las aplicaciones de salud basadas en teléfonos inteligentes IBDsmart e IBDoc en el cuidado de pacientes con enfermedad inflamatoria intestinal. inflamacion enfermedad intestinal 26(7), 1098–1109 (2020).

Académico de Google de PubMed

Verde, BB et al. Motivos por los que nunca y la finalización intermitente de las pruebas de detección del cáncer colorrectal después de recibir múltiples rondas de pruebas fecales enviadas por correo. BMC Public Health 17(1), 1–13 (2017).

CAS Google Académico

Maréchal, C. et al. Cumplimiento de la prueba de calprotectina fecal en pacientes con enfermedad inflamatoria intestinal. Unidos Eur. Gastroenterol. J. 5(5), 702–707 (2017).

Google Académico

Buisson, A. et al. Aceptabilidad comparativa y utilidad clínica percibida de las herramientas de monitoreo: una encuesta nacional de pacientes con enfermedad inflamatoria intestinal. inflamacion enfermedad intestinal 23(8), 1425–1433 (2017).

Académico de Google de PubMed

Park, S.-M. et al. Biomarcadores digitales en excrementos humanos. Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 18, 521–522 (2021).

Académico de Google de PubMed

Park, S.-M. et al. Un sistema de inodoro montable para el seguimiento personalizado de la salud mediante el análisis de excretas. Nat. biomedicina Ing. 4, 624–635 (2020).

PubMed PubMed Central Google Académico

Miller, IJ et al. Seguimiento de la salud en tiempo real a través de la metabolómica de la orina. npj Dígito. Medicina. 2(1), 1–9 (2019).

Google Académico

Tsang, W. et al. Validación del dispositivo de uroflujometría TOTO Flowsky®. EUR. Urol. Suplemento 16(3), e1959–e1960 (2017).

Google Académico

Zhang, Z. et al. Inteligencia artificial del inodoro (AI-Toilet) para un sistema integrado de monitoreo de la salud (IHMS) que utiliza sensores de presión triboeléctricos inteligentes y un sensor de imagen. NanoEnergía 90, 106517 (2021).

CAS Google Académico

Ra, M et al. Análisis de orina en el punto de atención basado en teléfonos inteligentes con iluminación variable. IEEE J. traducción. Ing. Salud Med. 6, 1–11 (2017).

Google Académico

Kim, H. & Allen, D. Uso de filtros digitales para obtener tendencias precisas de glucosa en orina a partir de espectrómetros de infrarrojo cercano desplegables en inodoros. J.Anal. Bioanal. tecnología 7(5), 5–8 (2016).

Google Académico

Ghosh, P., Bhattacharjee, D. y Nasipuri, M. Sistema de inodoro inteligente para la estimación no invasiva del nivel de azúcar en la sangre a partir de la orina. IRBM 41(2), 94–105 (2020).

Google Académico

Lewis, S. & Heaton, K. Escala de forma de taburete como una guía útil para el tiempo de tránsito intestinal. Escanear. J. Gastroenterol. 32(9), 920–924 (1997).

CAS PubMed Google Académico

Ohno, H. et al. Validez de una herramienta de evaluación observacional para la evaluación multifacética de la condición fecal. ciencia Rep. 9(1), 1–9 (2019).

MathSciNet CAS Google Académico

Hachuel, D. et al. Mejora de la salud gastrointestinal: un enfoque de aprendizaje profundo para el reconocimiento y caracterización de heces humanas en imágenes macroscópicas. preimpresión de arXiv arXiv:1903.10578 (2019).

Coletta, M., Di Palma, L., Tomba, C. & Basilisco, G. Discrepancia entre los hábitos intestinales recordados y registrados en el síndrome del intestino irritable. Alimento. Farmacol. El r. 32(2), 282–288 (2010).

CAS PubMed Google Académico

Jones, MP et al. Los cuestionarios de recuerdo gastrointestinal se comparan mal con los diarios de pacientes prospectivos para síntomas gastrointestinales: datos de muestras de población y centros de salud primarios. EUR. J. Gastroenterol. Hepatol. 31(2), 163–169 (2019).

Académico de Google de PubMed

Halmos, E. et al. Inexactitud de las descripciones informadas por los pacientes y satisfacción con las acciones intestinales en el síndrome del intestino irritable. Neurogastroenterol. Motil. 30(2), e13187 (2018).

Google Académico

Asghar, H. et al. Vigilancia ambiental de poliovirus en la Iniciativa de Erradicación Mundial de la Poliomielitis. J. infectar. Dis. 210 (suplemento 1), S294–S303 (2014).

Académico de Google de PubMed

Medema, G. et al. Presencia de ARN del SARS-Coronavirus-2 en aguas residuales y correlación con la prevalencia reportada de COVID-19 en la etapa inicial de la epidemia en los Países Bajos. Reinar. ciencia Tecnología Letón. 7, 511–516 (2020).

CAS Google Académico

Michael-Kordatou, I., Karaolia, P. & Fatta-Kassinos, D. Análisis de aguas residuales como herramienta para la respuesta y gestión de la pandemia de COVID-19: La necesidad urgente de protocolos optimizados para la detección y cuantificación del SARS-CoV-2. J. Medio Ambiente. química Ing. 8, 104306 (2020).

CAS PubMed PubMed Central Google Académico

Randazzo, W. et al. El ARN del SARS-CoV-2 en aguas residuales anticipó la ocurrencia de COVID-19 en un área de baja prevalencia. Agua Res. 181, 115942 (2020).

CAS PubMed PubMed Central Google Académico

Betancourt, WQ et al. Contención de COVID-19 en un campus universitario a través de epidemiología basada en aguas residuales, pruebas clínicas específicas y una intervención. ciencia Entorno Total. 779, 146408 (2021).

ANUNCIOS CAS PubMed PubMed Central Google Académico

Gibas, C. et al. Implementación de vigilancia de aguas residuales SARS-CoV-2 a nivel de edificio en un campus universitario. ciencia Entorno Total. 782, 146749 (2021).

ANUNCIOS CAS PubMed PubMed Central Google Académico

Scott, LC et al. Vigilancia específica de aguas residuales de SARS-CoV-2 en un campus universitario para la detección y mitigación de brotes de COVID-19. Reinar. Res. 200, 111374 (2021).

CAS PubMed PubMed Central Google Académico

Welling, C. et al. Valores predictivos del análisis de aguas residuales de SARS-CoV-2 con densidad de tiempo en edificios de campus universitarios. ciencia Entorno Total. 835, 155401 (2022).

ANUNCIOS CAS PubMed PubMed Central Google Académico

Zhou, J. et al. Análisis de imágenes de heces para el control digital de la salud mediante inodoros inteligentes. Cosas de Internet IEEE J. https://doi.org/10.1109/JIOT.2022.3158886 (2022).

Artículo Google Académico

Rose, C., Parker, A., Jefferson, B. & Cartmell, E. La caracterización de las heces y la orina: una revisión de la literatura para informar la tecnología de tratamiento avanzada. crítico Rev. Medio Ambiente. ciencia Tecnología 45(17), 1827–1879 (2015).

CAS PubMed PubMed Central Google Académico

Fischer, B. et al. Elastasa-1 fecal: La liofilización de muestras de heces evita resultados falsos bajos en diarrea. Escanear. J. Gastroenterol. 36(7), 771–774 (2001).

CAS PubMed Google Académico

Young, GP et al. Avances en pruebas de sangre oculta en heces: La revolución FIT. Excavar. Dis. ciencia 60(3), 609–622 (2015).

Académico de Google de PubMed

Lobo, AM et al. Detección de cáncer colorrectal para adultos de riesgo promedio: actualización de la guía 2018 de la Sociedad Estadounidense del Cáncer. CA Cáncer J. Clin. 68(4), 250–281 (2018).

Académico de Google de PubMed

Daly, JM, Xu, Y. & Levy, BT ¿Qué prueba inmunoquímica fecal debo elegir?. J.Prim. Care Community Health 8(4), 264–277 (2017).

PubMed PubMed Central Google Académico

Rey, CH et al. Perfil de microbiota intestinal humana de referencia en personas sanas y plantilla de informe estándar. PLoS One 14(9), e0206484 (2019).

CAS PubMed PubMed Central Google Académico

Scepanovic, P. et al. Una evaluación integral de las asociaciones genéticas demográficas, ambientales y del huésped con la diversidad del microbioma intestinal en individuos sanos. Microbioma 7(1), 1–15 (2019).

Google Académico

Choo, JM, Leong, LE & Rogers, GB Las condiciones de almacenamiento de las muestras influyen significativamente en los perfiles del microbioma fecal. ciencia Rep. 5(1), 1–10 (2015).

Google Académico

Knopp, K. & Tice, L. Propiedades físicas que afectan el tiempo de desintegración del papel higiénico (Instituto Politécnico de Worcester, 2015).

Google Académico

Eren, B. & Karadagli, F. Desintegración física de papeles higiénicos en sistemas de aguas residuales: análisis experimental y modelado matemático. Reinar. ciencia Tecnología 46(5), 2870–2876 (2012).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Haisma, S.-M. et al. Comparación directa de tres pruebas de calprotectina en heces para uso doméstico. PLoS One 14(4), e0214751 (2019).

CAS PubMed PubMed Central Google Académico

Penn, R., Ward, BJ, Strande, L. & Maurer, M. Revisión de heces humanas sintéticas y lodos fecales para la investigación de saneamiento y aguas residuales. Agua Res. 132, 222–240 (2018).

CAS PubMed Google Académico

Hawkins, BT et al. Desinfección electroquímica de aguas negras recicladas repetidamente en un inodoro independiente sin aditivos. Entorno de agua. J. 31(4), 545–551 (2017).

CAS PubMed PubMed Central Google Académico

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Esta investigación fue financiada en parte por el Programa Duke Bass Connection, por Duke MEDx y por donaciones filantrópicas al Duke Center for WaSH-AID. Los patrocinadores no tuvieron ningún papel en el diseño del estudio, la recopilación y el análisis de datos, la decisión de publicar o la preparación del manuscrito. Agradecemos a la Sra. Mara Shurgot por editar el manuscrito y los videos. Agradecemos al Sr. Ben Snyder por ayudar en la grabación del video de operación del sistema.

Ingeniería Eléctrica e Informática, Centro de Agua, Saneamiento, Higiene y Enfermedades Infecciosas (WaSH-AID), Universidad de Duke, Durham, NC, EE. UU.

Sonia Grego, Claire M. Welling, Graham H. Miller, Peter F. Coggan, Katelyn L. Sellgren, Brian T. Hawkins y Brian R. Stoner

Centro Duke de Genómica Aplicada y Medicina de Precisión, Facultad de Medicina, Universidad de Duke, Durham, NC, EE. UU.

Geoffrey S. Ginsburg

División de Gastroenterología, Facultad de Medicina, Universidad de Duke, Durham, NC, EE. UU.

José R. Ruiz y Deborah A. Fisher

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SG, BTH y BRS concibieron y planificaron el estudio. CMW y KLS prepararon las muestras de heces y realizaron los ensayos, GSG guió el estudio del microbioma. GHM y BRS diseñaron y ensamblaron el sistema diseñado y recopilaron datos operativos. PFC escribió el código y realizó la recopilación de datos para los experimentos del sensor de turbidez. SG, JRR y DAF participaron en la interpretación de los datos. SG, BTH, DAF y GSG escribieron el manuscrito. Todos los autores han leído y aprobado este artículo.

Correspondencia a Sonia Grego.

SG, KLS, BTH y BRS son inventores de una solicitud de patente relacionada con un inodoro con muestreo de excretas (PCT/US 21/18765). SG, GSG y BRS son cofundadores de Coprata Inc., una empresa que desarrolla tecnología de inodoros con muestreo de excretas. JRR es consultor de Coprata. DAF ahora es empleado de Eli Lilly and Company. DAF también fue consultor de Exact Sciences y Guardant Health, ambas empresas que desarrollan pruebas de detección del cáncer colorrectal. Otros autores no tienen intereses en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Grego, S., Welling, CM, Miller, GH et al. Un sistema de muestreo de heces manos libres para monitorear la salud y la enfermedad intestinal. Informe científico 12, 10859 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14803-9

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Recibido: 06 marzo 2022

Aceptado: 13 junio 2022

Publicado: 27 junio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14803-9

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