La ricerca sull'intestino umano e sui microbi chiave del suo lavoro, il microbioma intestinale, è esplosa negli ultimi dieci anni circa perché gli scienziati hanno appreso che il sistema generale ha un impatto molto maggiore sui nostri corpi di quanto si pensasse in precedenza. Squilibri di sostanze chimiche prodotte nell'intestino, Per esempio, sono stati collegati a malattie tra cui il Parkinson e l'Alzheimer, e anche l'iperattività nei bambini. Nel frattempo, gli scienziati stanno anche lavorando per creare una migliore diagnostica e terapie per malattie specifiche dell'intestino, come il cancro al colon.

"La sfida è che l'intestino è come una scatola nera. Ancora non lo comprendiamo appieno perché è difficile accedervi e studiarlo, "dice Maria Eugenia Inda, un Pew Postdoctoral Fellow presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) del MIT.

Inda e colleghi riportano un nuovo approccio per risolvere questo problema sulla rivista Materiali funzionali avanzati . Il loro lavoro consiste nell'incapsulare batteri viventi in un minuscolo, disco flessibile di idrogel che viene ingerito. Quei batteri, a sua volta, può rilevare composti che potrebbero indicare una malattia. Dopo l'eventuale escrezione del disco, i batteri all'interno del disco possono essere analizzati per determinare cosa hanno rilevato e in quali concentrazioni.

Per mantenere questi sensori viventi nell'intestino abbastanza a lungo da svolgere il loro lavoro, invece di essere escreto naturalmente entro sei-48 ore, la squadra ha reso il disco magnetico. In combinazione con un piccolo magnete indossabile, ciò mantiene il sistema in posizione internamente per diversi giorni. Togli il magnete, e il sensore con i suoi dati viene espulso e pronto per l'analisi.

"Questa entusiasmante tecnologia offre uno strumento tanto necessario per aiutare a controllare e comprendere gli squilibri delle sostanze chimiche prodotte nel tratto gastrointestinale, "dice Giovanni Traverso, il Karl Van Tassel (1925) Professore di Sviluppo della Carriera nel Dipartimento di Ingegneria del MIT. Traverso non è stato coinvolto nella ricerca.

Gli autori senior del documento Advanced Functional Materials sono Timothy Lu, un professore associato del MIT di EECS e ingegneria biologica, e Xuanhe Zhao, un professore del MIT di ingegneria meccanica e di ingegneria civile e ambientale. Lu è anche affiliato al Laboratorio di ricerca sui materiali del MIT.

"Abbiamo sviluppato nuovi materiali morbidi come gli idrogel magnetici e ne abbiamo studiato la meccanica estrema come la deformazione e l'adesione nell'intestino. In collaborazione con il laboratorio Lu, abbiamo esplorato l'impatto dei materiali morbidi sui materiali viventi e sulla biomedicina, "dice Zhao.

Insieme a Zhao, Lu, e Inda, altri autori sono il dottorando Xinyue Liu, Lo studente in visita Yueying Yang, Studente laureato Shaoting Lin, borsista post-dottorato Jingjing Wu, Studente laureato Yoonho Kim, Associato post-dottorato Xiaoyu Chen, e associato post-dottorato Dacheng Ma. Ma e Inda sono nel laboratorio Lu; gli altri sono affiliati al laboratorio Zhao. Inda, Liu, e Yang hanno contribuito in egual modo al lavoro.

Molte sfide

Il Materiali funzionali avanzati il documento riporta importanti progressi verso la realizzazione del sistema di idrogel-batteri nell'intestino. Per esempio, i ricercatori descrivono la migliore "ricetta" per il disco di idrogel che gli consente non solo di fornire una casa per i sensori batterici e consentire loro di riprodursi, ma anche di sopravvivere ai movimenti e alle pressioni associati al sistema intestinale senza rompersi o staccarsi .

Il team ha dimostrato che i batteri potrebbero effettivamente sopravvivere e prosperare nel disco di idrogel fino a sette giorni. Nei topi, i batteri hanno rilevato con successo il sanguinamento nell'intestino. Ulteriore, in un modello dell'intestino umano gli scienziati hanno dimostrato che il magnete indossabile manteneva il disco in posizione in diversi punti, compreso l'intestino tenue e il colon ascendente.

I batteri utilizzati nel sistema sono stati geneticamente modificati dal laboratorio Lu per rilevare i fattori associati al sanguinamento. Il laboratorio Lu sta lavorando su una varietà di altri batteri geneticamente modificati in grado non solo di rilevare più sostanze chimiche, ma anche rilasciare terapie quando si incontra un problema.

Oltre ai sensori batterici, il team ha anche incorporato nell'idrogel un minuscolo sensore di temperatura elettronico. Quella, pure, lavorato, mostrando il potenziale per l'integrazione sia della microelettronica che dei sensori viventi nel sistema di idrogel.

Inda sottolinea la natura collaborativa del lavoro. Gli esperti di idrogel come Xinyue Liu, Per esempio, mirava a rendere la matrice di gel abbastanza resistente da sopravvivere all'interno dell'intestino. I biologi, come Inda, focalizzato sul mantenimento in vita dei batteri all'interno del disco di idrogel. Insieme hanno sviluppato un sistema che ha raggiunto entrambi gli obiettivi.

Verso il futuro

Inda osserva che, sebbene possa essere necessario un po' di tempo prima che il sistema venga utilizzato negli esseri umani, "potrebbe essere utilizzato oggi nei topi di laboratorio".

Rabia Yazicigil è un assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della Boston University. Dice Yazicigil, chi non è stato coinvolto nella ricerca, "Localizzando i batteri diagnostici in regioni specifiche dell'intestino, ipotesi e trattamenti biologici possono essere convenientemente testati in modelli animali, Per esempio, attraverso il cambiamento della dieta, terapeutici, o alterazione genetica dell'ospite o dei microbi."

E quei test, a sua volta, dovrebbe portare a nuove intuizioni con applicazioni per gli esseri umani.