Умная таблетка может отслеживать ключевые биологические маркеры в режиме реального времени | Новости Массачусетского технологического института

Исследователи из Массачусетского технологического института, Бостонского университета и других стран сообщают об умной таблетке размером с чернику, которая может изменить правила игры в диагностике и лечении заболеваний кишечника. Это потому, что это первая технология, совместимая с приемом пищи, которая может автоматически обнаруживать — и сообщать в режиме реального времени — ключевые биологические молекулы, которые могут указывать на проблему.

Работа появляется в номере журнала от 10 августа. Природа. Другими авторами статьи являются исследователи из Brigham and Women’s Hospital в Бостоне, Чикагского университета и компании Analog Devices.

Новое исследование значительно продвигает более ранние исследования, о которых сообщалось в выпуск 2018 года из Наука. Текущая таблетка примерно в шесть раз меньше прототипа, о котором сообщалось в Наука, соответствует безопасным, проглатываемым лекарственным формам, представленным на рынке. Он также был разработан для обнаружения ключевых биологических молекул, таких как оксид азота и побочные продукты сероводорода, которые являются важными сигналами и медиаторами воспаления, связанного с заболеваниями кишечника.

Современные методы диагностики заболеваний кишечника могут быть инвазивными (например, колоноскопия или другая эндоскопическая процедура) и не позволяют обнаружить молекулярные биомаркеры заболеваний в режиме реального времени. Последнее является проблемой, поскольку некоторые важные биомаркеры очень недолговечны и исчезают до того, как современные методы смогут их обнаружить.

Новая таблетка, успешно испытанная на свиньях, сочетает в себе специально созданные живые бактерии, электронику и крошечную батарею. Когда бактерии чувствуют интересующую молекулу, они излучают свет (бактерии сами по себе также были успешно протестированы не на животных, а на мышах). Электроника таблетки затем преобразует этот свет в беспроводной сигнал, который может передаваться через тело на смартфон или другой компьютер в режиме реального времени, пока таблетка проходит через кишечник.

«Внутренняя работа человеческого кишечника по-прежнему остается одним из последних рубежей науки. Наша новая таблетка может раскрыть огромное количество информации о функциях организма, его отношениях с окружающей средой, а также влиянии болезней и терапевтических вмешательств», — говорит Тимоти Лу, доцент кафедры биологической инженерии, электротехники и информатики Массачусетского технологического института. Лу, который также связан с Лабораторией исследования материалов Массачусетского технологического института и Senti Biosciences, является старшим автором работы, описанной в Природа.

Потенциальное воздействие

Грубо 7 миллионов человек во всем мире страдают воспалительными заболеваниями кишечника (ВЗК), такими как колит или болезнь Крона.

«Одним из наиболее сложных аспектов мониторинга ВЗК является ожидание клинических обострений, которые часто случаются у этих пациентов и которые диктуют фармакологическое лечение их заболеваний. На данный момент у нас нет надежных биомаркеров, которые могли бы предсказать предстоящую вспышку воспаления, и поэтому пациенты часто испытывают серьезные симптомы, которые требуют госпитализации для надлежащего лечения», — говорит Алессио Фассано, профессор Гарвардской школы общественного здравоохранения им. не участвует в исследовании. «Эта система может изменить правила игры в лечении ВЗК с точки зрения ранней диагностики, предотвращения обострений заболевания и оптимизации терапевтического плана».

В своем исследовании исследователи показали, что умная таблетка может обнаруживать оксид азота, короткоживущую молекулу, которая связана со многими ВЗК. Важно отметить, что датчики также могут обнаруживать различные концентрации оксида азота. «Это позволит нам отличать нормальную ситуацию от болезни», — говорит Мария Евгения Инда, научный сотрудник Pew на факультете электротехники и информатики (EECS) и биологической инженерии (BE) Массачусетского технологического института. Это также важно, потому что уровни биомаркеров сильно различаются у разных пациентов.

Понимание кишечника

Команда утверждает, что таблетку можно настроить для обнаружения других ключевых биомаркеров. В результате Инда также воодушевлена ​​тем, что система может дать ученым гораздо лучшее понимание микробиома кишечника или деликатной среды, в которой обитают микробы, необходимые для переваривания пищи.

В настоящее время кишечник подобен черному ящику. «Мы до сих пор не до конца понимаем это, потому что к нему трудно получить доступ и изучить его. Нам не хватает инструментов для его изучения», — говорит она. «Знание большего о химической среде кишечника может помочь нам предотвратить заболевания, выявляя факторы, вызывающие воспаление, прежде чем оно возобладает».

Помимо кишечника, комбинация микробов и электроники, разработанная командой, может найти широкое применение для мониторинга здоровья. «Мы использовали сильные стороны биологии и электроники — наша крошечная таблетка показывает, что возможно, когда мы можем соединить бактериальное зондирование с беспроводной связью», — говорит Мигель Хименес, научный сотрудник факультета машиностроения Массачусетского технологического института (MechE). Инда и Хименес являются соавторами статьи.

«Благодаря этой разработке мы создаем уникальную платформу для оценки желудочно-кишечного тракта, которая, как мы ожидаем, может помочь многим», — говорит Джованни Траверсо, доцент MechE, гастроэнтеролог в Brigham and Women’s Hospital и один из старших авторов исследования. изучать.

Фантастическое путешествие

Инда сравнил исследование с «Фантастическим путешествием», фильмом 1966 года о четырех ученых, которые сжимаются, чтобы поместиться в крошечную подводную лодку, которая путешествует по артериям больного человека, чтобы лечить проблемы в его мозгу. «Мы, учёные, не можем этого сделать, — говорит она с улыбкой, — но теперь мы можем послать бактерии сделать нечто подобное. Быстрый прогресс в синтетической биологии позволяет нам использовать возможности живых клеток по обработке информации для диагностики заболеваний в таких труднодоступных средах».

Инда, Хименес, Траверсо и соавторы Лу Природа бумага: Кристоф Штайгер, Элисон Хейворд, Адам Вентворт и Виам Мадани из MechE, Института интегративных исследований рака им. Коха Массачусетского технологического института и Женской больницы имени Бригама (BWH); Нхи Фан и Дженна Ан из Института Коха; Цицзюнь Лю (который также является первым автором бумага 2022 года по электронике), Арслан Риаз, Тимур Зиртилоглу и Рабия Языджигил с факультета электротехники и вычислительной техники Бостонского университета; Кейтлин Вонг и Ронан МакНелли из BWH; Кейко Исида из Института Коха и BWH; Ниора Фабиан из MechE, Института Коха и отдела сравнительной медицины Массачусетского технологического института (DCM); Джош Дженкинс и Йоханнес Куосманен из MechE и Института Коха; Юн Лай из BE и EECS; Элисон Хейворд из MechE, Института Коха, BWH и DCM; Марк Мими из Чикагского университета; Филипп Надо из Analog Devices; и декан инженерного факультета Массачусетского технологического института Ананта Чандракасан, профессор EECS.

Эта работа была поддержана Благотворительным фондом Леоны М. и Гарри Б. Хелмсли, Благотворительным фондом Пью, Институтом трансляционных исследований космического здоровья, факультетом машиностроения Массачусетского технологического института, профессором развития карьеры Карла ван Тассела Массачусетского технологического института (1925) и Фонд Катализаторов.