Dankzij een onorthodoxe benadering die wordt voorgesteld door EPFL-onderzoekers, patiënten kunnen binnenkort hun ziekte opsporen door simpelweg een oplossing te drinken die miljoenen kleine elektronische sensoren bevat, vermomd als bacteriën.

Stelt u zich eens voor dat u de ontwikkeling van zieke cellen in realtime kunt volgen, simpelweg door patiënten een glas water te laten drinken dat miljoenen kleine elektronische biosensoren bevat. Zodra de microscopische sensoren zijn ingenomen, ze zouden naar ziek weefsel in het lichaam van een patiënt reizen en via telemetrie een continue stroom diagnostische gegevens verzenden.

Dat is het ambitieuze doel dat Sandro Carrara van EPFL's Integrated Systems Laboratory (School of Engineering/Computer and Communication Sciences) en Pantelis Georgiou van Imperial College London zichzelf hebben gesteld. Een dergelijke technologie lijkt nu mogelijk dankzij de vooruitgang in nanofabricageprocessen voor geïntegreerde schakelingen. Berkeley-onderzoekers hadden in 2013 een soortgelijk concept besproken, waarbij ze voorstelden om CMOS-circuits in de menselijke cortex te sprenkelen om neurale activiteit te volgen.

Bij EPFL, de onderzoekers zijn van plan lichaamsstof voor een meer algemeen doel te gebruiken. Ze hebben al laten zien hoe theoretisch een CMOS-kubus van ongeveer 10 µm aan elke kant zou kunnen worden gecreëerd. Ze presenteerden deze bevindingen op de IEEE BioCAS-conferentie. De theoretische haalbaarheid van het concept is ook besproken in een preprint op arXiv.

De wetenschappers hopen een revolutie teweeg te brengen in diagnostische methoden en artsen een beter begrip te geven van ziekten zoals kanker. "Tegenwoordig geven artsen medicijnen aan kankerpatiënten en wachten ze af of de tumorcellen verdwijnen. Maar continue feedback hebben over hoe de cellen reageren op een bepaalde behandeling zou van ongekende waarde zijn, ' zegt Carrara.

De microscopische sensoren zouden kubusvormig zijn en drie complementaire elektroden op hun oppervlak hebben. Nadat een patiënt ze heeft ingeslikt, ze zouden de darmwand passeren via het natuurlijke proces van endocytose. Maar dat proces kan alleen plaatsvinden als het lichaam van de patiënt denkt dat de sensoren bacteriën of rode bloedcellen zijn. Daarom zijn de wetenschappers van plan om de sensoren te bedekken met een speciale coating en ze aan elke kant te verkleinen tot 10 µm. Zodra de sensoren in de bloedbaan komen, ze zouden naar het getroffen gebied reizen en zich hechten aan zieke cellen met behulp van gerichte liganden zoals antilichamen. Van daaruit konden ze de voortgang van de ziekte volgen.

De sensoren zouden zich gedragen als spionnen, het verstrekken van informatie over het metabolisme van een kankercel, bijvoorbeeld, of op de lokale concentratie van een geneesmiddel dat was toegediend. "De elektroden op de oppervlakken van de sensoren zouden het juiste eiwit- of medicijnmolecuul kunnen identificeren waarmee ze in contact komen, omdat elk type molecuul de stroom op een andere manier zou veranderen, ", zegt Carrara. De gegevens zouden worden verzameld met behulp van een draadloos energietransmissiesysteem. "Een elektromagnetisch veld of ultrasone golven zouden buiten het lichaam van een patiënt worden gegenereerd om de sensoren op te laden en gegevens te verzamelen. De sensoren bevatten geen batterijen, ", voegt Carrara toe.

Om hun idee uit te werken, de wetenschappers putten uit concrete voorbeelden in de literatuur, zoals glucosesensoren van ongeveer 10 µm die gebruikmaken van CMOS-circuits, en een eenvoudige glucosesensor met een diameter van slechts 2,5 µm. In aanvulling, een telemetrisch diagnostisch apparaat van 10 mm dat is bedekt met een biocompatibele epoxyhars, werd in 2016 al met succes op muizen getest. het onderzoeksteam heeft nog flinke hordes te nemen. Eerst, de wetenschappers moeten de sensoren aan elke kant verkleinen tot minder dan 10 µm, zodat ze ongeveer even groot zijn als rode bloedcellen. Dan zullen ze de haalbaarheid van zowel hun technologie als het laadsysteem moeten aantonen.

Zouden deze minuscule sensoren bijwerkingen hebben? Voor nu, het is te vroeg om te zeggen. De wetenschappers denken dat de sensoren gemakkelijk uit het lichaam van een patiënt kunnen worden verwijderd. ofwel wanneer de tumor zelf wordt verwijderd of, als blijkt dat er geen ziek weefsel is, vervolgens via de urine of ontlasting van de patiënt.