Forskare vid MIT och Northeastern har kommit med ett nytt system för att övervaka biomedicinska indikatorer - såsom nivåer av natrium eller glukos i blodet - som en dag kan leda till implanterbara enheter som skulle möjliggöra, till exempel, personer med diabetes att kontrollera sitt blodsocker bara genom att titta på ett område av huden.

Ett antal forskare har utvecklat mikropartikelbaserade system - ihåliga, mikroskopiska partiklar fyllda med specifika kemikalier — för övervakning av biomedicinska tillstånd eller för selektiv leverans av läkemedel till vissa organ eller områden av kroppen. Men en nackdel med dessa system är att partiklarna är tillräckligt små för att sopas bort från den ursprungliga platsen med tiden. Det nya systemet involverar en annan typ av mikropartiklar som kan undvika detta problem.

Medan traditionella partiklar är sfäriska, de nya partiklarna är formade som långa rör. Rörens smala bredd, vilket är jämförbart med de tidigare studerade mikropartiklarna, håller rörens innehåll i omedelbar närhet av blod eller kroppsvävnad, vilket gör det lätt för partiklarna att känna av och reagera på kemiska eller andra förhållanden i sin omgivning. Rörens relativt större längd håller rören mycket väl förankrade på plats för långtidsövervakning, kanske månader i sträck.

Partiklarna kan så småningom användas för att övervaka glukosnivåerna hos diabetiker eller saltnivåerna hos dem med ett tillstånd som kan orsaka svängningar i blodsaltkoncentrationerna.

De nya rönen rapporteras i tidskriften Förfaranden från National Academy of Sciences , i en tidning som publicerades på nätet i januari och snart kommer i tryckt version. Den var medförfattare av Karen Gleason, Alexander och I. Michael Kasser professor i kemiteknik vid MIT; Heather Clark, professor i läkemedelsvetenskap vid Northeastern University; MIT postdoktoral forskare Gozde Ozaydin-Ince; och nordöstra doktoranden J. Matthew Dubach.

Processen att skapa de nya nanopartiklarna är en utlöpare av Gleasons arbete med en metod för beläggning av material genom att förånga beläggningsmaterialet och låta det avsättas på en yta som ska beläggas. I arbete som publicerades förra månaden, hon och hennes medarbetare hade visat att denna teknik – kallad kemisk ångavsättning (CVD) – kunde användas för att belägga ett material som innehåller mikroskopiska porer, vilket gör porerna ännu mindre och ger dem en yta som kan svara på de kemiska egenskaperna hos material som passerar genom dem.

Detta nya arbete använder CVD för att belägga ett aluminiumoxidskikt som har etsat för att innehålla små porer, och, som i föregående arbete, beläggningen sträcker sig ner på väggarna i dessa porer. Men sedan löses själva det belagda materialet bort, lämnar bara en serie ihåliga rör där porerna brukade vara. Före det, fastän, ett annat material kan läggas till - något som reagerar på miljön, eller ett läkemedel som ska levereras, till exempel. Rören försluts sedan i vardera änden.

Gleason förklarar att dessa "mikormaskar, som hon kallar dem, kan sedan injiceras under huden för att bilda en fluorescerande "tatuering". Genom att fylla de små ihåliga rören med ett material som fluorescerar - dvs. avger ljus av en viss färg - som svar på närvaron av en specifik kemikalie, "graden av fluorescens ger kontinuerlig fysiologisk övervakning av en specifik kemikalie" i kroppen, och kan övervakas rakt igenom huden. Ljuset som emitteras av den fluorescerande kemikalien "är synligt för det mänskliga ögat, och kan således tolkas direkt av patienten utan behov av skrymmande monitorer, " säger hon.

Medan de första mikromaskarna gjordes för att upptäcka saltnivåer, och testades framgångsrikt på möss, det finns en mängd olika potentiella tillämpningar, säger Gleason. En viktig möjlighet är att mäta glukosnivåer:"Strikt kontroll över glukosnivåerna kan hjälpa individer att avvärja de förödande biverkningarna av diabetes, den främsta orsaken till njursvikt, blindhet hos vuxna, skador på nervsystemet, och amputationer och även en stor riskfaktor för hjärtsvikt, stroke och fosterskador, " säger hon. Diabetes drabbar för närvarande mer än 20 miljoner människor i USA, och det förväntas fördubblas på 25 år.

Rören är så små - cirka 200 nanometer i diameter, eller mindre än en hundradel av ett människohår - att "kroppen inte ens tror att de är där, " säger Gleason, så att de kan arbeta i "smygläge" utan att utlösa någon fysisk reaktion.

Raoul Kopelman, Richard Smalley Distinguished University Professor of Kemi, Fysik och tillämpad fysik och forskningsprofessor i biomedicinsk teknik vid University of Michigan, kallar detta "arbete av hög kvalitet av ett expertteam, " och säger, "I princip detta kan öppna vägen för att undvika blodprover, som behöver ett centralt labb, expert sjuksköterskor, extra tid och extra kostnader. Det kan göras på en läkarmottagning, eller till och med hemma. Det kommer också att undvika komplikationer för patienter med "svåra, ' eller 'förbrukade' vener, patienter på blodförtunnande medel, etc.” Emellertid, han varnade att "Den största stötestenen är säkerhetsfaktorn, dvs FDA-godkännande. FDA kanske inte bara oroar sig för långvarig kemisk toxicitet och bioeliminering, men också om komplikationer – dvs. kan det utlösa blodproppar?”

Förutom det faktum att dessa mikromaskar stannar på plats när de injiceras i kroppen, deras tillverkningsprocess i sig ger en betydande fördel, säger Gleason. Eftersom CVD är en standardtillverkningsmetod som används inom halvledarindustrin, tillverkningen av dessa anordningar bör vara relativt enkel och billig.

Gleason säger, "Man kan tänka sig att använda den här typen av rör för att krymplinda nästan vad som helst, ” inklusive läkemedel som kan levereras långsamt med tiden genom små öppningar i rören.