Levende sensorer undersøger tarmens mysterier

Forskning i den menneskelige tarm og mikroberne, der er nøglen til dets arbejde - tarmmikrobiomet - er boomet i løbet af det sidste årti eller deromkring, fordi forskere har erfaret, at det overordnede system har en meget større indflydelse på vores kroppe end tidligere antaget. Ubalance af kemikalier produceret i tarmen, for eksempel, har været forbundet med sygdomme, herunder Parkinsons og Alzheimers, og endda hyperaktivitet hos børn. I mellemtiden forskere arbejder også på at skabe bedre diagnostik og terapier for sygdomme, der er specifikke for tarmen, som tyktarmskræft.

"Udfordringen er, at tarmen er som en sort boks. Vi forstår det stadig ikke helt, fordi det er svært at få adgang til og studere, " siger Maria Eugenia Inda, en Pew Postdoctoral Fellow ved MIT's Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS).

Inda og kolleger rapporterer om en ny tilgang til at løse det problem i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer . Deres arbejde går ud på at indkapsle levende bakterier i en lille, fleksibel skive af hydrogel, der indtages. De bakterier, på tur, kan påvise forbindelser, der kunne indikere sygdom. Efter eventuel udskillelse af disken, bakterierne i disken kan analyseres for at bestemme, hvad de har opdaget og i hvilke koncentrationer.

For at holde disse levende sensorer i tarmen længe nok til at udføre deres arbejde, snarere end at blive naturligt udskilt inden for seks til 48 timer, holdet gjorde skiven magnetisk. Kombineret med en lille bærbar magnet, dette holder systemet på plads internt i flere dage. Tag magneten af, og sensoren med dens data udskilles og klar til analyse.

"Denne spændende teknologi tilbyder et tiltrængt værktøj til at hjælpe med at kontrollere og forstå ubalancer af kemikalier produceret i mave-tarmkanalen, " siger Giovanni Traverso, Karl Van Tassel (1925) Karriereudviklingsprofessor i MIT's Department of Engineering. Traverso var ikke involveret i forskningen.

Seniorforfattere af papiret Advanced Functional Materials er Timothy Lu, en MIT lektor i EECS og biologisk ingeniørvidenskab, og Xuanhe Zhao, en MIT-professor i maskinteknik og i civil- og miljøteknik. Lu er også tilknyttet MIT's Materials Research Laboratory.

"Vi udviklede nye bløde materialer såsom de magnetiske hydrogeler og studerede deres ekstreme mekanik såsom deformation og adhæsion i tarmen. I samarbejde med Lu-laboratoriet, vi udforskede bløde materialers indvirkning på levende materialer og biomedicin, " siger Zhao.

Sammen med Zhao, Lu, og Inda, andre forfattere er kandidatstuderende Xinyue Liu, Besøgende studerende Yueying Yang, Kandidatstuderende Shaoting Lin, Postdoc Jingjing Wu, Kandidatstuderende Yoonho Kim, Postdoktor Xiaoyu Chen, og postdoc Dacheng Ma. Ma og Inda er i Lu-laboratoriet; de andre er tilknyttet Zhao-laboratoriet. Inda, Liu, og Yang bidrog lige så meget til arbejdet.

Mange udfordringer

Det Avancerede funktionelle materialer papir rapporterer vigtige fremskridt hen imod at gøre hydrogel-bakteriesystemet i tarmen til en realitet. For eksempel, forskerne beskriver den bedste "opskrift" på hydrogelskiven, der gør det muligt ikke kun at give et hjem for bakteriesensorerne – og give dem mulighed for at reproducere – men også overleve de bevægelser og tryk, der er forbundet med tarmsystemet uden at gå i stykker eller blive løsnet. .

Holdet viste, at bakterierne faktisk kunne overleve og trives i hydrogelskiven i op til syv dage. Hos mus, bakterierne kunne fornemme blødninger i tarmen. Yderligere, i en model af den menneskelige tarm viste forskerne, at den bærbare magnet holdt disken på plads på flere forskellige steder, herunder tyndtarmen og tyktarmen.

Bakterierne, der blev brugt i systemet, blev gensplejset af Lu-laboratoriet til at opdage faktorer forbundet med blødning. Lu-laboratoriet arbejder på en række andre gensplejsede bakterier, der ikke kun er i stand til at opdage flere kemikalier, men også frigivelse af terapeutiske midler, når der opstår et problem.

Ud over de bakterielle sensorer, holdet inkorporerede også en lille elektronisk temperatursensor i hydrogelen. At, også, arbejdet, viser potentialet for at integrere både mikroelektronik og levende sensorer i hydrogelsystemet.

Inda understreger arbejdets samarbejdsmæssige karakter. Hydrogel-eksperterne som Xinyue Liu, for eksempel, havde til formål at gøre gelmatrixen sej nok til at overleve inde i tarmen. Biologerne, som Inda, fokuseret på at holde bakterierne i live i hydrogelskiven. Sammen udviklede de et system, der nåede begge mål.

Mod Fremtiden

Inda bemærker, at selvom det kan tage et stykke tid for systemet at blive brugt i mennesker, "det kunne bruges i dag i laboratoriemus."

Rabia Yazicigil er assisterende professor ved Institut for Elektro- og Computerteknik ved Boston University. siger Yazicigil, som ikke var involveret i forskningen, "Ved at lokalisere diagnostiske bakterier i specifikke områder af tarmen, biologiske hypoteser og behandlinger kan bekvemt testes i dyremodeller, for eksempel, gennem kostomlægning, terapeutiske midler, eller genetisk ændring af vært eller mikrober."

Og de tests, på tur, skal resultere i ny indsigt med anvendelser til mennesker.