Stel je een Fitbit voor die veel meer meet dan stappen, hartslag, en verbrande calorieën. Het volgt voortdurend alle indicatoren van fysiologische gezondheid die momenteel dure en tijdrovende analyses van bloedplasma vereisen. Het apparaat is goedkoop, betrouwbaar, en aangedreven door dezelfde eiwitten die ons lichaam de hele dag produceert, elke dag. Hoewel het naar de huidige maatstaven een vergezocht concept lijkt, James Galagan, een biomedisch ingenieur van de Universiteit van Boston, zegt dat onderzoek in zijn laboratorium dat apparaat van de tekentafel naar ons dagelijks leven zou kunnen versnellen.

Een team van onderzoekers van Galagan's BU-lab en de Universiteit van Bordeaux werd geïnspireerd door het enige commercieel succesvolle biometrische apparaat dat de klok rond een fysiologische functie bewaakt:de continue glucosemonitor, wiens centrale taak wordt uitgevoerd door een eiwit verkregen uit een microbe die glucose waarneemt.

"Er zijn potentieel miljoenen vergelijkbare eiwitten, " zegt teamleider Galagan, een BU College of Engineering universitair hoofddocent biomedische technologie. "Ze kunnen zo ongeveer alles voelen dat onze gezondheid beïnvloedt. Een belangrijke reden dat we niet meer sensoren hebben zoals de glucosesensor, is dat de eiwitten die nodig zijn om die sensoren te maken niet zijn geïdentificeerd."

Dus, Galagans team, waaronder BU College of Engineering faculteitsleden Mark Grinstaff, Allison Dennis, en Catherine Klapperich, op pad om er een paar te vinden. Hun bevindingen, beschreven in een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , een nieuwe screeningsbenadering gebruikt om de eerste bekende van bacteriën afgeleide sensor te identificeren voor het detecteren van progesteron, een vrouwelijk hormoon dat een cruciale rol speelt bij de voortplanting. Het team ontwikkelde vervolgens technologie die de detectiemogelijkheden van de sensor vertaalde in een optische output, het creëren van de eerste realtime, optische en omkeerbare progesteronsensor.

De omkeerbaarheid van de sensor, zegt Galagan, stelt het in staat om continue metingen te genereren naarmate het hormoonniveau stijgt en daalt in het lichaam, vergelijkbaar met de glucosesensor. Het onderscheidt de sensor ook van bestaande op antilichamen gebaseerde methoden voor het meten van progesteron, die slechts een meting van een enkel punt in de tijd bieden.

In een test met kunstmatige urine, vonden de onderzoekers dat de sensor, die kan worden uitgerust met een goedkope en draagbare elektronische lezer voor point-of-care-toepassingen, zou progesteron kunnen detecteren met een specificiteit die voldoende is voor klinisch gebruik. Dit alles suggereert dat het geschikt zou kunnen zijn voor thuisgebruik, ter vervanging van veel laboratoriumtests voor progesteronmetingen die nodig zijn tijdens het proces van in-vitrofertilisatie.

De grote afhaalmaaltijd van de studie, zegt Galagan, is dat het een "eerste bewijs van principe is dat we een organisme zouden kunnen nemen, een nieuw detectie-eiwit identificeren, isoleer dit eiwit uit de bacterie, en engineer het in een sensorapparaat dat toepasbaar is op point-of-care-gebruik. Zo ver we weten, dat is nog nooit eerder gedaan." Hij benadrukt dat de nieuw ontwikkelde aanpak de bacteriën niet als sensor gebruikt. het mijnt de bacteriën voor eiwitdelen, isoleert die delen, en verandert ze vervolgens in sensoren die kunnen worden gebruikt voor apparaatengineering.

"Tot nu toe, draagbare technologieën hebben zich voornamelijk gericht op macro [indicatoren] van gezondheid, zoals hartslag, bloeddruk, enzovoort., " zegt Kenneth Lutchen, decaan van BU's College of Engineering. "Maar we hebben dringend methoden nodig om het ontstaan ​​van ziekten te voorspellen ruim voordat ze gevaarlijke veranderingen in dergelijke maatregelen veroorzaken. Dr. Galagan en collega's hebben het principe bewezen om realtime monitoring van microbiële indicatoren van de gezondheidsstatus te bieden op een manier die onze vermogen om te voorspellen, telegeneeskunde aan huis. In principe, ze kunnen specifiek en gevoelig vroeg inzicht verschaffen in het ontstaan ​​van ziekten, wat leidt tot vroegtijdige interventie, zodat de kwaliteit van leven wordt verbeterd en de kosten voor de gezondheidszorg drastisch worden verlaagd."

De krant, wiens technologie onlangs werd tentoongesteld op het kickoffsymposium van het nieuwe BU Precision Diagnostics Center, biedt een basis voor de ontwikkeling van veel meer sensorapparaten, gebaseerd op dezelfde klasse van eiwitten. De onderzoekers bouwen momenteel voort op die basis:ze ontwikkelen technologie om dergelijke sensoren te immobiliseren en in te zetten, en werken aan manieren om zijn detectiemogelijkheden om te zetten in een direct elektronisch signaal.

"Coöptatie van biologie voor technologische doeleinden vereist typisch het vertalen van biologische signalen in een stroom van fotonen of elektronen, ', zegt Galagan. 'Daar zijn we nu mee bezig.'

"Het mooie hiervan is het interdisciplinaire karakter van het onderzoek, " zegt Klapperich, directeur van het Precision Diagnostics Center van de BU. "We hebben mensen die rekenwerk doen, moleculair werk, en mensen uit de materiaalkunde die de sensoren bouwen. Het is opwindend om met zoveel mensen uit verschillende delen van de universiteit te werken."

Sinds hun doorbraak werd gemeld in Natuurcommunicatie , de onderzoekers hebben al een aanpak van de tweede generatie ontwikkeld waarmee ze kunnen screenen op onderdelen van complexe microbiële monsters, in plaats van van een enkele gekweekte bacterie. Dat "metagenomische" screening zaken als bodem, of ons eigen microbioom, in wezen toegang verlenen tot de volledige diversiteit aan microben voor onderzoekers die op zoek zijn naar sensoronderdelen. En omdat de aanpak zowel een specifiek gen als een sensing-eiwit identificeert, het stelt onderzoekers in staat om de transcriptiefactor te wijzigen op manieren die het krachtiger zouden kunnen maken of het vermogen zouden krijgen om andere chemische verbindingen te voelen, zoals cortisol of oestrogeen.

"Direct, we werken met hormonen, ' zegt Klapperich. 'Maar dit kan met van alles werken. Ik kan niet wachten tot we dit op een rijtje hebben."

De grote uitdaging die voor ons ligt, Galagan zegt, is de inzet van dergelijke sensoren om onze gezondheid en het milieu te monitoren. Zijn team hoopt technologie te gebruiken die in laboratoria over de hele wereld wordt gebouwd om een ​​breed scala aan toepassingen te ontwikkelen:van het meten van de gezondheid van koralen tot het bewaken van fysiologische variabelen van zweet en interstitiële vloeistof met een niet-invasief of minimaal invasief draagbaar apparaat.

"Dit is eigenlijk nog maar het topje van de ijsberg, ", zegt Galagan. "We zijn nu gepositioneerd om de volledige diversiteit aan microben te ontginnen om sensoren te ontwikkelen voor een breed scala aan gezondheids-, biotechnologisch, en consumententoepassingen. We hopen dat deze sensoren op een dag naast de continue glucosemonitor in de schappen zullen liggen."