Schematisk illustration av användningen av levande sensorer inkapslade i en magnetisk hydrogelanordning för studier av tarmen. Kredit:Xinyue Liu et al
Forskning om den mänskliga tarmen och mikroberna som är nyckeln till dess arbete - tarmmikrobiomet - har blomstrat under det senaste decenniet eller så eftersom forskare har lärt sig att det övergripande systemet har en mycket större inverkan på våra kroppar än vad man tidigare trott. Obalanser av kemikalier som produceras i tarmen, till exempel, har kopplats till sjukdomar inklusive Parkinsons och Alzheimers, och till och med hyperaktivitet hos barn. Under tiden, forskare arbetar också för att skapa bättre diagnostik och terapier för sjukdomar som är specifika för tarmen, som tjocktarmscancer.
"Utmaningen är att tarmen är som en svart låda. Vi förstår det fortfarande inte helt eftersom det är svårt att komma åt och studera, säger Maria Eugenia Inda, en Pew-postdoktor vid MIT:s avdelning för elektroteknik och datavetenskap (EECS).
Inda och kollegor rapporterar ett nytt tillvägagångssätt för att lösa det problemet i tidskriften Avancerade funktionella material . Deras arbete går ut på att kapsla in levande bakterier i en liten, flexibel skiva av hydrogel som intas. De där bakterierna, i tur och ordning, kan upptäcka föreningar som kan tyda på sjukdom. Efter eventuell utsöndring av skivan, bakterierna i skivan kan analyseras för att fastställa vad de har upptäckt och i vilka koncentrationer.
För att hålla dessa levande sensorer i tarmen tillräckligt länge för att göra sitt arbete, snarare än att utsöndras naturligt inom sex till 48 timmar, laget gjorde skivan magnetisk. Kombinerat med en liten bärbar magnet, detta håller systemet på plats internt i flera dagar. Ta bort magneten, och sensorn med dess data utsöndras och är redo för analys.
"Denna spännande teknik erbjuder ett välbehövligt verktyg för att hjälpa till att kontrollera och förstå obalanser hos kemikalier som produceras i mag-tarmkanalen, " säger Giovanni Traverso, Karl Van Tassel (1925) Karriärutvecklingsprofessor vid MIT:s avdelning för teknik. Traverso var inte involverad i forskningen.
Seniorförfattare av Advanced Functional Materials uppsats är Timothy Lu, en MIT docent i EECS och biologisk teknik, och Xuanhe Zhao, en MIT-professor i maskinteknik och i civil- och miljöteknik. Lu är också knuten till MIT:s materialforskningslaboratorium.
"Vi utvecklade nya mjuka material som de magnetiska hydrogelerna och studerade deras extrema mekanik som deformation och vidhäftning i tarmen. I samarbete med Lu-labbet, vi utforskade mjuka materials effekter på levande material och biomedicin, säger Zhao.
Xinyue Liu och Maria Eugenia Inda har en del av den utrustning som de och MIT-kollegor använde för att skapa levande sensorer för studier av tarmen. Liu är en doktorand vid MIT; Inda är postdoktor vid MIT. Kredit:Xinyue Liu och Maria Eugenia Inda
Tillsammans med Zhao, Lu, och Inda, andra författare är doktoranden Xinyue Liu, Besöker student Yueying Yang, Doktorand Shaoting Lin, Postdoktor Jingjing Wu, Doktorand Yoonho Kim, Postdoktor Xiaoyu Chen, och postdoktor Dacheng Ma. Ma och Inda är i Lu-labbet; de andra är anslutna till Zhao-labbet. Inda, Liu, och Yang bidrog lika mycket till arbetet.
Många utmaningar
De Avancerade funktionella material papper rapporterar viktiga framsteg mot att göra hydrogel-bakteriesystemet i tarmen till verklighet. Till exempel, forskarna beskriver det bästa "receptet" för hydrogelskivan som gör att den inte bara kan ge ett hem åt bakteriesensorerna – och tillåta dem att reproducera sig – utan också överleva rörelserna och trycket som är förknippade med tarmsystemet utan att gå sönder eller lossna. .
Teamet visade att bakterierna verkligen kunde överleva och frodas i hydrogelskivan i upp till sju dagar. Hos möss, bakterierna lyckades känna av blödning i tarmen. Ytterligare, i en modell av den mänskliga tarmen visade forskarna att den bärbara magneten höll skivan på plats på flera olika platser, inklusive tunntarmen och tjocktarmen.
Bakterierna som användes i systemet var genetiskt modifierade av Lu-labbet för att upptäcka faktorer associerade med blödning. Lu-labbet arbetar med en mängd andra genetiskt modifierade bakterier som inte bara kan upptäcka flera kemikalier, men också att släppa terapier när ett problem uppstår.
Förutom de bakteriella sensorerna, teamet inkorporerade också en liten elektronisk temperatursensor i hydrogelen. Den där, för, arbetade, visar potentialen för att integrera både mikroelektronik och levande sensorer i hydrogelsystemet.
Inda betonar arbetets samarbetskraft. Hydrogelexperterna som Xinyue Liu, till exempel, syftade till att göra gelmatrisen tillräckligt hård för att överleva inuti tarmen. Biologerna, som Inda, fokuserat på att hålla bakterierna vid liv i hydrogelskivan. Tillsammans utvecklade de ett system som uppnådde båda målen.
Mot framtiden
Inda noterar att även om det kan ta ett tag för systemet att användas på människor, "det skulle kunna användas idag i laboratoriemöss."
Rabia Yazicigil är biträdande professor vid institutionen för elektro- och datateknik vid Boston University. säger Yazicigil, som inte var involverad i forskningen, "Genom att lokalisera diagnostiska bakterier i specifika regioner i tarmen, biologiska hypoteser och behandlingar kan bekvämt testas i djurmodeller, till exempel, genom kostförändringar, terapeutiska medel, eller genetisk förändring av värd eller mikrober."
Och de där testerna, i tur och ordning, bör resultera i nya insikter med tillämpningar på människor.
