Levende bio-elektronica: slimme hondsensoren die detecteren en genezen

Integratie van elektronica met levende cellen

Jarenlang heeft Professor Bozhi Tian's lab geleerd hoe de wereld van elektronica — rigide, metallische, bulky — te integreren met de wereld van het lichaam — zacht, flexibel, delicaten.

In hun recentste werk hebben ze een prototype gecreëerd voor wat ze "levende bio-elektronica" noemen — een combinatie van levende cellen, gel, en elektronica die kan integreren met levend weefsel.

De patches bestaan uit sensoren, bacteriële cellen, en een gel gemaakt van zetmeel en gelatine. Testen in muizen vonden dat de apparaten continue kunnen monitoren en psoriasis-achtige symptomen verbeteren, zonder de huid te irriteren.

"Dit is een brug van traditionele bio-elektronica, die levende cellen als deel van de therapie incorporeert," aldus Jiuyun Shi, mede-eerste auteur van het papier en voormalig Ph.D. student in Tian's lab (nu bij Stanford University).

"We zijn ontzettend opgewonden omdat het een decennium en een half in de making is," aldus Tian.

De onderzoekers hopen dat de principes ook toegepast kunnen worden op andere lichaamsdelen, zoals cardiologische of neurale stimulatie. De studie werd gepubliceerd in Science.

Uitdaging: elektronica vs. lichaam

Het koppelen van elektronica met het menselijke lichaam is altijd moeilijk geweest. Hoewel apparaten zoals pacemakers ongetelde levens hebben verbeterd, hebben ze hun nadelen; elektronica neigt om bulky en rigide te zijn en kan irritatie veroorzaken.

Maar Tian's lab specialiseert zich in het ontdekken van de fundamentele principes achter hoe levende cellen en weefsel interacteren met synthetische materialen; hun eerdere werk omvatte een kleine pacemaker die met licht gecontroleerd kan worden en sterke maar flexibele materialen die de basis kunnen vormen voor botimplanten.

Nieuwe benadering: drie componenten

In deze studie namen ze een nieuwe aanpak. Typisch bestaan bio-elektronica uit de elektronica zelf, plus een zachte laag om ze minder irriterend voor het lichaam te maken. Maar Tian's groep vroeg zich af of ze nieuwe capaciteiten konden toevoegen door een derde component te integreren: levende cellen zelf. De groep was geïntrigeerd door de genezende eigenschappen van bepaalde bacteriën zoals S. epidermidis, een microbe die natuurlijk op de menselijke huid leeft en is aangetoond om inflammatie te reduceren.

Ze creëerden een apparaat met drie componenten. Het framework is een dun, flexibel elektronisch circuit met sensoren. Het is overlaagd met een gel gecreëerd uit tapioka zetmeel en gelatine, dat ultrasoft is en de samenstelling van weefsel zelf nabootst. Ten slotte worden S. epidermidis microben in het gel gestopt.

Resultaten in muizen

Wanneer het apparaat op de huid geplaatst wordt, scheiden de bacteriën verbindingen af die inflammatie reduceren, en de sensor monitort de huid voor signalen zoals hildetemperatuur en vochtigheid. In testen met muizen geneigd tot psoriasis-achtige huidaandoeningen, was er een significante reductie in symptomen.

De initiële testen liepen een week, maar de onderzoekers hopen dat het systeem, dat ze het ABLE platform noemen, voor Active Biointegrated Living Electronics, voor een half jaar of langer gebruikt kan worden. Om de behandeling comfortabeler te maken, zeiden ze, kan het apparaat vriesgedroogd worden voor opslag en gemakkelijk gerehydrateerd wanneer nodig.

Aangezien de genezende effecten door microben geleverd worden, "Is het als een levend medicijn — je hoeft het niet bij te vullen," aldus Saehyun Kim, de andere mede-eerste auteur van het papier en huidige Ph.D. student in Tian's lab.

Naast het behandelen van psoriasis, kunnen de wetenschappers toepassingen voorstellen zoals patches om wondgenezing te versnellen bij patiënten met diabetes. Ze hopen ook de benadering uit te breiden naar andere weefseltypen en celtypen. "Bijvoorbeeld, kun je een insuline-producerend apparaat creëren, of een apparaat dat interfaceert met neuronen?" aldus Tian. "Er zijn veel potentiële toepassingen."