Onderzoekers van MIT en Northeastern hebben een nieuw systeem bedacht voor het monitoren van biomedische indicatoren - zoals natrium- of glucosespiegels in het bloed - dat op een dag zou kunnen leiden tot implanteerbare apparaten waarmee, bijvoorbeeld, mensen met diabetes om hun bloedsuikerspiegel te controleren door gewoon naar een deel van de huid te kijken.

Een aantal onderzoekers heeft op microdeeltjes gebaseerde systemen ontwikkeld - hol, microscopisch kleine deeltjes gevuld met specifieke chemicaliën - voor het bewaken van biomedische omstandigheden of voor de selectieve afgifte van medicijnen aan bepaalde organen of delen van het lichaam. Maar een nadeel van deze systemen is dat de deeltjes klein genoeg zijn om na verloop van tijd van de oorspronkelijke locatie te worden weggevaagd. Het nieuwe systeem omvat een ander soort microdeeltje dat dit probleem kan voorkomen.

Terwijl traditionele deeltjes bolvormig zijn, de nieuwe deeltjes hebben de vorm van lange buizen. De smalle breedte van de buizen, die vergelijkbaar is met die van de eerder bestudeerde microdeeltjes, houdt de inhoud van de buisjes dicht bij bloed of lichaamsweefsel, waardoor het voor de deeltjes gemakkelijk wordt om chemische of andere omstandigheden in hun omgeving waar te nemen en erop te reageren. De relatief grotere lengte van de buizen houdt de buizen zeer goed op hun plaats verankerd voor monitoring op lange termijn, misschien wel maanden achtereen.

De deeltjes zouden uiteindelijk kunnen worden gebruikt om de glucosespiegels van diabetici of de zoutspiegels van mensen met een aandoening die schommelingen in de bloedzoutconcentraties kan veroorzaken, te controleren.

De nieuwe bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences , in een paper dat in januari online is gepubliceerd en binnenkort in de gedrukte versie zal verschijnen. Het was co-auteur van Karen Gleason, de Alexander en I. Michael Kasser hoogleraar Chemical Engineering aan het MIT; Heather Clark, hoogleraar farmaceutische wetenschappen aan de Northeastern University; MIT postdoctoraal onderzoeker Gozde Ozaydin-Ince; en Noordoost-promovendus J. Matthew Dubach.

Het proces van het maken van de nieuwe nanodeeltjes is een uitloper van het werk van Gleason aan een methode om materialen te coaten door het coatingmateriaal te verdampen en het op een te coaten oppervlak te laten neerslaan. In het werk dat vorige maand werd gepubliceerd, zij en haar collega's hadden aangetoond dat deze techniek - chemische dampafzetting (CVD) genaamd - kan worden gebruikt om een ​​materiaal met microscopisch kleine poriën te coaten, waardoor de poriën nog kleiner worden en ze een oppervlak krijgen dat kan reageren op de chemische eigenschappen van materialen die er doorheen gaan.

Dit nieuwe werk gebruikt CVD om een ​​aluminiumoxidelaag te coaten die is geëtst om kleine poriën te bevatten, en, zoals in het vorige werk, de coating strekt zich uit tot op de wanden van deze poriën. Maar dan lost het gecoate materiaal zelf op, waardoor er slechts een reeks holle buizen overblijft waar de poriën zich bevonden. Daarvoor, Hoewel, een ander materiaal kan worden toegevoegd - iets dat reageert op de omgeving, of een af ​​te geven medicijn, bijvoorbeeld. De buizen worden dan aan beide uiteinden afgedekt.

Gleason legt uit dat deze “microwormen, ’ zoals ze ze noemt, kan vervolgens onder de huid worden geïnjecteerd om een ​​fluorescerende "tatoeage" te vormen. licht van een bepaalde kleur uitstraalt - als reactie op de aanwezigheid van een specifieke chemische stof, "de mate van fluorescentie zorgt voor continue fysiologische monitoring van een specifieke chemische stof" in het lichaam, en kan door de huid worden gevolgd. Het licht dat wordt uitgestraald door de fluorescerende chemische stof "is zichtbaar voor het menselijk oog, en kan dus direct door de patiënt worden geïnterpreteerd zonder dat er omvangrijke monitoren nodig zijn, ' zegt ze.

Terwijl de eerste microwormen werden gemaakt om zoutniveaus te detecteren, en werden met succes getest op muizen, er zijn verschillende mogelijke toepassingen, zegt Gleason. Een belangrijke mogelijkheid is het meten van de glucosespiegels:“Een strikte controle over de glucosespiegels kan individuen helpen de verwoestende bijwerkingen van diabetes te voorkomen, de nummer één oorzaak van nierfalen, blindheid bij volwassenen, schade aan het zenuwstelsel, en amputaties en ook een belangrijke risicofactor voor hartfalen, beroerte en geboorteafwijkingen, ' zegt ze. Diabetes treft momenteel meer dan 20 miljoen mensen in de VS, en dat zal naar verwachting in 25 jaar verdubbelen.

De buizen zijn zo klein - ongeveer 200 nanometer breed, of minder dan een honderdste van de breedte van een mensenhaar - dat "het lichaam niet eens denkt dat ze er zijn, "Gleason zegt, waardoor ze in "stealth-modus" kunnen werken zonder enige fysieke reactie te veroorzaken.

Raoul Kopelman, de Richard Smalley Distinguished University Professor of Chemistry, Natuurkunde en toegepaste natuurkunde en onderzoekshoogleraar biomedische technologie aan de Universiteit van Michigan, noemt dit “werk van hoge kwaliteit door een deskundig team, ’ en zegt, “In principe dit zou de weg kunnen openen voor het vermijden van bloedonderzoek, die een centraal laboratorium nodig hebben, deskundige verpleegkundigen, extra tijd en extra kosten. Het kan in een dokterspraktijk, of zelfs thuis. Het voorkomt ook complicaties bij patiënten met ‘moeilijke, ’ of ‘opgebruikte’ aderen, patiënten die bloedverdunners gebruiken, enz.” Echter, hij waarschuwde dat "het grootste struikelblok de veiligheidsfactor is, d.w.z. FDA-goedkeuring. FDA maakt zich misschien niet alleen zorgen over chemische toxiciteit op lange termijn en biologische eliminatie, maar ook over complicaties - d.w.z. kan het bloedstolsels veroorzaken?”

Naast het feit dat deze microwormen op hun plaats blijven wanneer ze in het lichaam worden geïnjecteerd, hun productieproces zelf biedt een aanzienlijk voordeel, zegt Gleason. Omdat CVD een standaard productiemethode is die wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie, de vervaardiging van deze apparaten moet relatief eenvoudig en goedkoop zijn.

Gleason zegt, “Je kunt je voorstellen dat je met dit soort kokers zo ongeveer alles kunt krimpen, ” inclusief medicijnen die in de loop van de tijd langzaam zouden kunnen worden afgegeven door kleine openingen in de buizen.