Исследователи и коллеги Массачусетского технологического института и Бостонского университета сообщают об умной таблетке размером с чернику, которая может изменить правила диагностики и лечения 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.
Другие авторы работы представляют Brigham & Women’s Hospital, Чикагский университет и Analog Devices.
Работа, о которой сообщается в журнале Nature, значительно продвигает более раннее исследование , опубликованное в выпуске журнала Science за 2018 год.
Текущая таблетка более чем в шесть раз меньше, чем прототип, о котором сообщается в журнале Science , и соответствует безопасным лекарственным формам для приема внутрь, 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 (вспомните колоноскопию или другую эндоскопическую процедуру) и не могут обнаруживать молекулярные биомаркеры заболевания в режиме реального времени. Последнее представляет собой проблему, потому что несколько важных биомаркеров очень недолговечны, поэтому они исчезают до того, как современные методы могут их обнаружить.
Новая таблетка, которая была успешно протестирована на свиньях, сочетает в себе специально разработанные живые бактерии с электроникой и крошечной батареей. Когда бактерии чувствуют интересующую молекулу, они излучают свет (бактерии сами по себе также были успешно протестированы вне животных и на мышах). Затем электроника таблетки 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 массу информации о функциях организма, его отношениях с окружающей средой, а также о влиянии болезней и терапевтических вмешательств», — говорит Тимоти. Лу, адъюнкт-профессор Массачусетского технологического института биологической инженерии, электротехники и компьютерных наук. Лу, который также связан с Лабораторией исследования материалов Массачусетского технологического института и Senti Biosciences, является старшим автором работы, описанной в Nature.
Потенциальный переломный момент
Примерно семь миллионов человек во всем мире страдают от воспалительных заболеваний кишечника (ВЗК), таких как колит или болезнь Крона.
«Одним из самых сложных аспектов мониторинга ВЗК является ожидание клинических обострений, которые часто случаются у этих пациентов и которые диктуют фармакологическое лечение их заболеваний. В настоящее время у нас нет надежных биомаркеров, которые предсказывают предстоящее обострение воспаления и, следовательно, часто испытывают тяжелые симптомы , которые требуют госпитализации для надлежащего лечения», — говорит профессор Алессио Фассано, доктор медицинских наук, из Гарвардской школы общественного здравоохранения им. Т. Х. Чана. Фассано не участвовал в исследовании.
«Эта система может изменить правила игры в лечении ВЗК с точки зрения ранней диагностики, выявления обострений заболевания и оптимизации терапевтического плана», — говорит Фассано.
В статье Nature 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 отличить нормальную ситуацию от болезни», — говорит Мария Евгения Инда, научный сотрудник Pew Postdoctoral на факультете электротехники и информатики Массачусетского технологического института (EECS) и на факультете биологической инженерии (BE). Это также важно, потому что уровни биомаркеров сильно различаются у разных пациентов.
Понимание кишечника
Команда говорит, что таблетку можно настроить для обнаружения других ключевых биомаркеров. В результате Инда также воодушевлен тем, что система может дать ученым гораздо лучшее понимание микробиома кишечника или деликатной среды, в которой содержатся микробы, играющие ключевую роль в переваривании 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. «Узнавание большего о химической среде кишечника может помочь нам предотвратить заболевание путем выявления факторов, вызывающих воспаление, до того, как оно возьмет верх».
Помимо кишечника, комбинация микробов и электроники команды 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 отдела машиностроения Массачусетского технологического института (ME). Инда и Хименес — соавторы статьи.
«Благодаря этой разработке мы описываем уникальную платформу для оценки желудочно-кишечного тракта, которая, как мы ожидаем, может помочь многим», — говорит Джованни Траверсо, доцент кафедры медицины, гастроэнтеролог в Brigham and Women’s Hospital и один из ведущих авторов исследования. изучать.
Фантастическое путешествие
Инда сравнил исследование с фильмом «Фантастическое путешествие» 1966 года о четырех ученых, которые уменьшились в размерах, чтобы поместиться в крошечной подводной лодке, которая путешествует по артериям больного человека, чтобы лечить проблемы в его мозгу. «Мы, ученые, не можем этого сделать, — говорит она с улыбкой, — но теперь мы можем посылать бактерии делать что-то подобное. Быстрый прогресс в синтетической биологии позволяет нам использовать способности живых клеток обрабатывать информацию для диагностики заболеваний в организме». таких труднодоступных средах».
Теги: биотехнологии, кишечник, нанороботы
