Små mikroorme kan implanteres under huden til kontinuerlig medicinsk overvågning

Forskere ved MIT og Northeastern har fundet frem til et nyt system til overvågning af biomedicinske indikatorer - såsom niveauer af natrium eller glukose i blodet - som en dag kan føre til implanterbare enheder, der ville tillade, for eksempel, mennesker med diabetes for at kontrollere deres blodsukker bare ved at kigge på et hudområde.

En række forskere har udviklet mikropartikelbaserede systemer - hule, mikroskopiske partikler fyldt med specifikke kemikalier - til overvågning af biomedicinske tilstande eller til selektiv levering af lægemidler til bestemte organer eller områder af kroppen. Men en ulempe ved disse systemer er, at partiklerne er små nok til at blive fejet væk fra det oprindelige sted over tid. Det nye system involverer en anden slags mikropartikler, der kan undgå dette problem.

Mens traditionelle partikler er sfæriske, de nye partikler er formet som lange rør. Rørenes smalle bredde, som er sammenlignelig med de tidligere undersøgte mikropartikler, holder rørets indhold tæt på blod eller kropsvæv, gør det nemt for partiklerne at mærke og reagere på kemiske eller andre forhold i deres omgivelser. Rørenes relativt større længde holder rørene meget godt forankret på plads til langtidsovervågning, måske i flere måneder.

Partiklerne kunne til sidst bruges til at overvåge glukoseniveauerne for diabetikere eller saltniveauerne hos dem med en tilstand, der kan forårsage svingninger i blodsaltkoncentrationer.

De nye fund bliver rapporteret i tidsskriftet Procedurer fra National Academy of Sciences , i et papir udgivet online i januar og snart udgivet i den trykte version. Det var medforfatter af Karen Gleason, Alexander og I. Michael Kasser professor i kemiteknik ved MIT; Heather Clark, professor i farmaceutisk videnskab ved Northeastern University; MIT postdoc-forsker Gozde Ozaydin-Ince; og Northeastern doktorand J. Matthew Dubach.

Processen med at skabe de nye nanopartikler er en udløber af Gleasons arbejde med en metode til belægning af materialer ved at fordampe belægningsmaterialet og lade det aflejre sig på en overflade, der skal belægges. I arbejde offentliggjort i sidste måned, hun og hendes kolleger havde vist, at denne teknik-kaldet kemisk dampaflejring (CVD)-kunne bruges til at belægge et materiale indeholdende mikroskopiske porer, dermed gøre porerne endnu mindre og give dem en overflade, der kunne reagere på de kemiske egenskaber af materialer, der passerer gennem dem.

Dette nye værk bruger CVD til at belægge et aluminiumoxidlag, der er blevet ætset til at indeholde bittesmå porer, og, som i det forrige arbejde, belægningen strækker sig ned på væggene i disse porer. Men så opløses selve det belagte materiale, efterlader kun en række hule rør, hvor porerne plejede at være. Inden da, selvom, et andet materiale kan tilføjes - noget, der reagerer på miljøet, eller et lægemiddel, der skal leveres, for eksempel. Rørene lukkes derefter i hver ende.

Gleason forklarer, at disse "mikrorme, ”Som hun kalder dem, kan derefter sprøjtes ind under huden for at danne en fluorescerende "tatovering." Ved at fylde de små hule rør med et materiale, der fluorescerer - dvs. udsender lys af en bestemt farve - som reaktion på tilstedeværelsen af ​​et specifikt kemikalie, "graden af ​​fluorescens giver kontinuerlig fysiologisk overvågning af et specifikt kemikalie" i kroppen, og kan overvåges lige igennem huden. Lyset, der udsendes af det fluorescerende kemikalie "er synligt for det menneskelige øje, og kan således tolkes direkte af patienten uden behov for omfangsrige monitorer, ” siger hun.

Mens de første mikroorme blev lavet til at detektere saltniveauer, og blev testet med succes i mus, der er en række potentielle anvendelser, siger Gleason. En væsentlig mulighed er måling af glukoseniveauer:“Stram kontrol over glukoseniveauer kan hjælpe enkeltpersoner med at afværge de ødelæggende bivirkninger af diabetes, den vigtigste årsag til nyresvigt, blindhed hos voksne, skader på nervesystemet, og amputationer og også en væsentlig risikofaktor for hjertesvigt, slagtilfælde og fødselsdefekter, ” siger hun. Diabetes påvirker i øjeblikket mere end 20 millioner mennesker i USA, og det forventes at fordobles på 25 år.

Rørene er så små - cirka 200 nanometer på tværs, eller mindre end en hundrededel af bredden af ​​et menneskehår - at "kroppen ikke engang tror, ​​de er der, " siger Gleason, giver dem mulighed for at operere i "stealth mode" uden at udløse nogen fysisk reaktion.

Raoul Kopelman, Richard Smalley Distinguished University Professor of Chemistry, Fysik og anvendt fysik og forskningsprofessor i biomedicinsk teknik ved University of Michigan, kalder dette "arbejde af høj kvalitet udført af et eksperthold, " og siger, "I princippet dette kunne åbne vejen for at undgå blodprøver, som har brug for et centralt laboratorium, ekspert sygeplejersker, ekstra tid og ekstra omkostninger. Det kunne gøres på en læges kontor, eller endda derhjemme. Det vil også undgå komplikationer for patienter med 'svære, ' eller 'opbrugte' årer, patienter i blodfortyndende medicin, osv. ”Dog er han advarede om, at "Den største anstødssten er sikkerhedsfaktoren, dvs. FDA-godkendelse. FDA bekymrer sig måske ikke kun om langsigtet kemisk toksicitet og bio-eliminering, men også om komplikationer - dvs. kan det udløse blodpropper?”

Ud over det faktum, at disse mikroorme forbliver på plads, når de sprøjtes ind i kroppen, selve deres fremstillingsproces giver en betydelig fordel, siger Gleason. Fordi CVD er en standard fremstillingsmetode, der bruges i halvlederindustrien, fremstillingen af ​​disse enheder bør være relativt let og billig.

Gleason siger, "Man kan forestille sig at bruge den slags rør til at krympe-vikle stort set alt, ” inklusive lægemidler, der kunne afgives langsomt over tid gennem små åbninger i rørene.