Onderzoek naar de menselijke darm en de microben die de sleutel tot zijn werk zijn - het darmmicrobioom - heeft de afgelopen tien jaar een enorme vlucht genomen omdat wetenschappers hebben ontdekt dat het algehele systeem een ​​veel grotere impact op ons lichaam heeft dan eerder werd gedacht. Onevenwichtigheden van chemicaliën geproduceerd in de darm, bijvoorbeeld, zijn in verband gebracht met ziekten zoals Parkinson en Alzheimer, en zelfs hyperactiviteit bij kinderen. In de tussentijd, wetenschappers werken ook aan betere diagnostiek en therapieën voor ziekten die specifiek zijn voor de darm, zoals darmkanker.

"De uitdaging is dat de darm als een zwarte doos is. We begrijpen het nog steeds niet helemaal omdat het moeilijk toegankelijk en te bestuderen is, " zegt Maria Eugenia Inda, een Pew Postdoctoral Fellow bij MIT's Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS).

Inda en collega's rapporteren een nieuwe aanpak om dat probleem op te lossen in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen . Hun werk omvat het inkapselen van levende bacteriën in een kleine, flexibele schijf van hydrogel die wordt ingenomen. Die bacteriën, beurtelings, kan verbindingen detecteren die op ziekte kunnen duiden. Na eventuele uitscheiding van de schijf, de bacteriën in de schijf kunnen worden geanalyseerd om te bepalen wat ze hebben gedetecteerd en in welke concentraties.

Om deze levende sensoren lang genoeg in de darm te houden om hun werk te doen, in plaats van op natuurlijke wijze binnen zes tot 48 uur te worden uitgescheiden, het team maakte de schijf magnetisch. Gecombineerd met een kleine draagbare magneet, hierdoor blijft het systeem intern enkele dagen op zijn plaats. Haal de magneet eraf, en de sensor met zijn gegevens wordt uitgescheiden en is klaar voor analyse.

"Deze opwindende technologie biedt een broodnodig hulpmiddel om onevenwichtigheden van chemicaliën die in het maagdarmkanaal worden geproduceerd, onder controle te houden en te begrijpen, " zegt Giovanni Traverso, de Karl Van Tassel (1925) Professor in loopbaanontwikkeling aan de afdeling Engineering van het MIT. Traverso was niet betrokken bij het onderzoek.

Senior auteurs van de Advanced Functional Materials paper zijn Timothy Lu, een MIT universitair hoofddocent EECS en biologische engineering, en Xuanhe Zhao, een MIT-hoogleraar werktuigbouwkunde en civiele techniek en milieutechniek. Lu is ook verbonden aan MIT's Materials Research Laboratory.

"We ontwikkelden nieuwe zachte materialen zoals de magnetische hydrogels en bestudeerden hun extreme mechanica zoals vervorming en hechting in de darm. In samenwerking met het Lu-lab, we hebben de effecten van zachte materialen op levende materialen en medische biologie onderzocht, ' zegt Zhao.

Samen met Zhao, lu, en Inda, andere auteurs zijn Graduate Student Xinyue Liu, Op bezoek bij student Yueying Yang, Afgestudeerde student Shaoting Lin, Postdoctoraal onderzoeker Jingjing Wu, Afgestudeerde Student Yoonho Kim, Postdoctoraal medewerker Xiaoyu Chen, en postdoctoraal medewerker Dacheng Ma. Ma en Inda zijn in het Lu-lab; de anderen zijn verbonden aan het Zhao-lab. Inda, Liu, en Yang droegen in gelijke mate bij aan het werk.

Veel uitdagingen

De Geavanceerde functionele materialen paper rapporteert belangrijke vorderingen om het hydrogel-bacteriënsysteem in de darm te realiseren. Bijvoorbeeld, de onderzoekers beschrijven het beste "recept" voor de hydrogelschijf waarmee het niet alleen een thuis biedt voor de bacteriële sensoren - en hen in staat stelt zich voort te planten - maar ook de bewegingen en druk die gepaard gaan met het darmstelsel te overleven zonder te breken of los te raken .

Het team toonde aan dat de bacteriën inderdaad tot zeven dagen konden overleven en gedijen in de hydrogelschijf. In muizen, de bacteriën detecteerden met succes bloedingen in de darm. Verder, in een model van de menselijke darm toonden de wetenschappers aan dat de draagbare magneet de schijf op verschillende locaties op zijn plaats hield, inclusief de dunne darm en de stijgende dikke darm.

De bacteriën die in het systeem worden gebruikt, zijn genetisch gemanipuleerd door het Lu-lab om factoren te detecteren die verband houden met bloedingen. Het Lu-lab werkt aan een verscheidenheid aan andere genetisch gemanipuleerde bacteriën die niet alleen meerdere chemicaliën kunnen detecteren, maar ook het vrijgeven van therapieën wanneer zich een probleem voordoet.

Naast de bacteriële sensoren, het team heeft ook een kleine elektronische temperatuursensor in de hydrogel ingebouwd. Dat, te, werkte, toont het potentieel voor het integreren van zowel micro-elektronica als levende sensoren in het hydrogelsysteem.

Inda benadrukt het collaboratieve karakter van het werk. De hydrogel-experts zoals Xinyue Liu, bijvoorbeeld, bedoeld om de gelmatrix sterk genoeg te maken om in de darm te overleven. De biologen, zoals Inda, gericht op het in leven houden van de bacteriën in de hydrogelschijf. Samen ontwikkelden ze een systeem dat beide doelen bereikte.

Op weg naar de toekomst

Inda merkt op dat, hoewel het een tijdje kan duren voordat het systeem bij mensen wordt gebruikt, "het zou vandaag in laboratoriummuizen kunnen worden gebruikt."

Rabia Yazicigil is een assistent-professor bij de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de Boston University. zegt Yazicigil, die niet bij het onderzoek betrokken was, "Door diagnostische bacteriën te lokaliseren in specifieke delen van de darm, biologische hypothesen en behandelingen kunnen gemakkelijk worden getest in diermodellen, bijvoorbeeld, door dieetverandering, therapieën, of genetische verandering van gastheer of microben."

En die testen, beurtelings, moet leiden tot nieuwe inzichten met toepassingen voor de mens.