Sensoren met geïntegreerde fotonica als sleutel voor onze voedselgarantie, ook in de toekomst

Sensoren met geïntegreerde fotonica als sleutel voor onze voedselgarantie, ook in de toekomst

De wereldbevolking groeit exponentieel. Precisielandbouw die draait op geïntegreerde fotonica draagt bij om onze voedselvoorziening ook op termijn veilig en duurzaam te houden.

Een slimme badkamer die niet-invasief en regelmatig metingen doet aan gezondheidsindicatoren als bloeddruk en hydratatie en mensen op basis hiervan gepersonaliseerd advies geeft. Dat is het doel van Smart Bathroom for Health. De technologie die in dit innovatietraject ontwikkeld wordt, biedt een platform voor het vergaren van objectieve gezondheidsinformatie bij mensen thuis, en draagt bij aan nieuwe (voedings) interventies en vroege opsporing van ziekten.

Wat als … we vroege biomarkers van ziekte konden detecteren, en gepersonaliseerde voedings- en leefstijladvies en medische interventies konden ontwikkelen, zonder ziekenhuisbezoeken en tijdrovende, vaak ongemakkelijke, metingen van lichaamsfuncties?

Door fysiologische indicatoren als bloeddruk en hydratatiestatus meerdere keren per dag te meten, zijn ziekten vroegtijdig op te sporen en mogelijk te voorkomen. Variaties in bloeddruk en zuurstofgehalte in het bloed kunnen vroege signalen zijn van hart- en vaatziekten. De eiwitconcentratie in urine en de aanwezigheid van aan ontsteking gerelateerde stoffen in ontlasting geven inzicht in de conditie van de urinewegen en het spijsverteringskanaal. En geleidelijk gewichtsverlies kan wijzen op (dreigende) ondervoeding.

Geavanceerde sensoren

In Smart Bathroom for Health ontwikkelt OnePlanet Research Center een verscheidenheid aan geavanceerde sensoren voor het meten van gezondheid, onder andere in en rond het toilet en de spiegel. Deze sensoren zijn verbonden met een digitaal platform dat de meetgegevens interpreteert en integreert, trends signaleert, toekomstige gezondheidsproblemen voorspelt en gepersonaliseerd advies genereert.

Experts van imec, gespecialiseerd in high-tech sensoren en wearables, werken in het innovatietraject nauw samen met voedingsdeskundigen en artsen van Wageningen University & Research, Radboud Universiteit en Radboudumc. Dit stelt ze in staat de praktische en technologische vraagstukken op te lossen die komen kijken bij een baanbrekend innovatietraject als dit. Denk bijvoorbeeld aan de selectie van betrouwbare, representatieve biomarkers voor het meten van gezondheid. De technologie moet bovendien een minimaal vermogen hebben en vochtbestendig zijn.

Uitgangspunt voor OnePlanet is dat wat wordt ontwikkeld, een duidelijk en meetbaar verschil maakt in het dagelijks leven. Daarom worden voedingsmiddelenfabrikanten, en farmaceutische en technologische bedrijven uitgenodigd als partner in het traject.

Op weg naar gepersonaliseerde feedback

In 2019 werd het eerste prototype van een slim toilet getest onder bezoekers van het Lowlands-evenement in Biddinghuizen, Nederland. Een tweede, geoptimaliseerd prototype wordt in de zomer van 2021 getest bij vrijwilligers thuis. Daarna wordt het systeem uitgebreid met sensoren voor het meten van hydratatiestatus en aan ontsteking gerelateerde biomarkers in ontlasting. Ook worden er software en artificiële intelligentie-toepassingen geïntegreerd die gepersonaliseerde feedback mogelijk maken.

“Citizen Nutrition” is een groot gepersonaliseerd voedingsonderzoek in Gelderland, waarbij nieuwe meettechnieken worden gebruikt en nieuwe gedragsinterventie / modellen kunnen worden getest. De verzamelde gegevens maken de ontwikkeling van precisie-voedingsmodellen en gerichte gepersonaliseerde feedback mogelijk.

Het doel van dit innovatietraject is het opzetten van een participatieve studie waarin nieuwe meettechnieken, gedragsmodellen en de ontwikkeling van precieze voedingsmodellen samenkomen.

Middels deze studie willen OnePlanet en partners inzicht te krijgen in effectieve interventies voor persoonsgerichte eetgedrag begeleiding, de ontwikkeling van bijbehorende inzetbare technologie en bijdragen aan gezondheidsinterventies in persoonlijke leefomgevingen.

Een datagedreven digitaal platform dat kan voorspellen welke voedings- en leefstijlinterventies het best werken voor een individu. Dat is de verwachte uitkomst van Human Digital Twin. De technologie die in dit innovatieprogramma ontwikkeld wordt, fungeert als platform voor de integratie en analyse van objectieve gezondheidsgegevens. Ze vergemakkelijkt het vroege opsporen van ziekten en de ontwikkeling van gepersonaliseerde producten en diensten.

Wat als … elke consument zijn eigen ‘virtuele tweeling’ had die hem inzicht gaf in zijn gezondheid, en gepersonaliseerd advies over voeding, leefstijl en medicijngebruik?

Gekoppeld aan slimme sensoren en handige apps, zou dit de consument in staat stellen van moment tot moment veranderingen in zijn voeding en levensstijl aan te brengen. Welke voedingsmiddelen moet hij bijvoorbeeld eten om zijn darmgezondheid te verbeteren? En hoe beïnvloedt dit zijn mentale welzijn?

Gepersonaliseerde interventie

Gepersonaliseerde interventies blijken effectiever bij het verbeteren van de gezondheid dan een algemene aanpak. In onze vergrijzende samenleving, waar het aantal mensen met chronische ziekten toeneemt, kunnen ze een groot verschil maken; voor de kwaliteit van leven en in de kosten van de gezondheidszorg.

AI-gestuurd, digitaal platform

In Human Digital Twin ontwikkelt OnePlanet Research Center een AI-gestuurd, digitaal platform voor continue integratie en analyse van gezondheids-, voedings-, en situationele gegevens verzameld via sensoren. Denk bijvoorbeeld aan ingestibles die informatie geven over het microbioom en de darmgezondheid. Het platform geeft inzicht in het risico dat iemand loopt op leefstijl gerelateerde gezondheidsproblemen als diabetes, hart- en vaatziekten en burn-out. Het zelflerende systeem voorspelt ook welke voedings- en leefstijlinterventies het beste werken voor een individu, in een specifieke situatie.

In dit innovatietraject werken experts van imec, gespecialiseerd in hightech sensoren en wearables, samen met voedingsdeskundigen, gedragsdeskundigen en artsen van Wageningen University & Research, Radboud Universiteit en Radboudumc aan complexe vraagstukken. Hoe zorg je bijvoorbeeld voor een veilige opslag en ethisch gebruik van de enorme hoeveelheden data die verzameld worden? En welke software en inzichten zijn nodig om een functionaliteit in te bouwen die motiverende feedback aan het individu genereert?

Op weg naar persoonlijk advies

Het digitale dataplatform is nu in ontwikkeling, met gegevens verzameld in de innovatieprogramma’s Ingestibles for Gut Health en Smart Bathroom for Health, en in studies naar voeding en mentaal welzijn. Experts van OnePlanet zijn ook begonnen, in samenwerking met de industrie, met een studie waarin contextuele gegevens over stress en fysiologische functies als hartslag en huidgeleiding worden verzameld en geïntegreerd. Dit maakt het mogelijk het stressniveau van individuen te voorspellen en gepersonaliseerd advies te geven over hoe stress te verminderen.

Een slimme pil die niet-invasief en doorlopend metingen doet aan ontstekingsprocessen, microbiota-activiteit, opname van voedingsstoffen en andere biomarkers voor darmgezondheid. Dat is het beoogde resultaat van Ingestibles for Gut Health. De technologie die ontwikkeld wordt, biedt voedingsmiddelen- en farmaceutische bedrijven en technologieleveranciers kansen voor gericht ingrijpen op de darmgezondheid.

Stel dat consumenten de opname van voedingsstoffen in het maagdarmkanaal en andere biomarkers voor de darmgezondheid kunnen meten – en op basis hiervan persoonlijk advies krijgen over voeding, levensstijl en medicijngebruik – door simpelweg een pilletje te slikken. Dat zou consumenten, patiënten en medisch personeel vervelend en tijdrovend medisch onderzoek besparen, en wetenschappers en artsen inzicht geven in wat er precies in de darmen gebeurt. Welke voedingsstoffen worden opgenomen, en waar? Welke metabolieten produceert de microbiota? En op welke plekken zijn de darmen van mensen met de ziekte van Crohn, colitis ulcerosa en het Prikkelbare Darm Syndroom het meest aangetast?

Beter begrip

Darmaandoeningen komen weliswaar vaak voor, maar welke processen hierbij een rol spelen is nog niet helemaal duidelijk. Een beter inzicht biedt voedingsmiddelen- en farmaceutische bedrijven, en artsen de kans om gezondheidsproblemen in een vroeg stadium op te sporen en gerichte interventies te ontwikkelen. Hiermee kunnen ze de kwaliteit van leven verbeteren, en – omdat de darmgezondheid samenhangt met het afweersysteem, het glucosemetabolisme en andere belangrijke processen in het lichaam – ook het algehele welzijn van mensen.

Compleet nieuwe technologie

In Ingestibles for Gut Health ontwikkelt OnePlanet Research Center een volledig nieuwe technologie waarbij minuscule sensoren verwerkt worden in een pil, en verbonden met een digitaal platform met geavanceerde chips. Deze lezen de gegevens in en sturen ze door naar een dataplatform dat de informatie interpreteert.

Experts van imec, gespecialiseerd in high-tech sensoren, micro-elektronica en wearables, werken in het innovatietraject nauw samen met voedingsdeskundigen, chemici, artsen en gastro-enterologen van Wageningen University & Research, Radboud Universiteit en Radboudumc. Dit stelt ze in staat om de technologische en praktische vraagstukken op te lossen die ze onderweg tegenkomen. Zo moet de pil gemakkelijk inslikbaar zijn, en bestand tegen spijsverteringsenzymen. De pil moet bovendien gemakkelijk te volgen zijn, en een minimale hoeveelheid stroom verbruiken.

Uitgangspunt voor OnePlanet is dat elke innovatie die wordt ontwikkeld, een duidelijk en meetbaar verschil maakt in het dagelijks leven. Daarom worden voedingsmiddelen en farmaceutische bedrijven, en technologieontwikkelaars uitgenodigd als partner in het traject.

Op weg naar persoonlijk advies

De eerste generatie ingestibles wordt getest in SHIME, een geavanceerd in vitro model dat de processen in de darmen nauwkeurig nabootst. Begin 2022 staat een klinische studie met vrijwilligers gepland. De functionaliteit van de eerste generatie slimme pillen wordt de komende jaren uitgebreid. Tegen 2027 is er een geavanceerd detectieplatform beschikbaar, met slimme algoritmen en een dashboard voor het bewaken van de darmgezondheid.

OnePlanet_visual_16_9_nutritionsensing_logo_NEG