Immagina un Fitbit che misura molto più dei passi, frequenza cardiaca, e calorie bruciate. Tiene continuamente traccia di tutti gli indicatori di salute fisiologica che attualmente richiedono analisi del plasma sanguigno costose e lunghe. Il dispositivo è economico, affidabile, e alimentato dalle stesse proteine ​​che il nostro corpo produce tutto il giorno, ogni giorno. Anche se sembra un concetto inverosimile per gli standard odierni, James Galagan, un ingegnere biomedico della Boston University, afferma che la ricerca condotta nel suo laboratorio potrebbe accelerare quel dispositivo dal tavolo da disegno alla nostra vita quotidiana.

Un team di ricercatori del laboratorio BU di Galagan e dell'Università di Bordeaux è stato ispirato dall'unico dispositivo biometrico di successo commerciale che monitora una funzione fisiologica 24 ore su 24:il monitor continuo del glucosio, il cui compito centrale è svolto da una proteina ottenuta da un microbo che rileva il glucosio.

"Ci sono potenzialmente milioni di proteine ​​simili, "dice il caposquadra Galagan, un professore associato di ingegneria biomedica presso il College of Engineering della BU. "Riescono a percepire qualsiasi cosa che influisca sulla nostra salute. Un motivo principale per cui non abbiamo più sensori come il sensore di glucosio è che le proteine ​​​​necessarie per realizzare quei sensori non sono state identificate".

Così, La squadra di Galagan, che include i membri della facoltà della BU College of Engineering Mark Grinstaff, Allison Dennis, e Catherine Klapperich, deciso di trovarne alcuni. Le loro scoperte, descritto in un articolo pubblicato in Comunicazioni sulla natura , ha utilizzato un nuovo approccio di screening per identificare il primo sensore noto derivato da batteri per rilevare il progesterone, un ormone femminile che svolge un ruolo critico nella riproduzione. Il team ha quindi sviluppato una tecnologia che ha tradotto le capacità di rilevamento del sensore in un'uscita ottica, creando il primo in tempo reale, sensore di progesterone ottico e reversibile.

La reversibilità del sensore, dice Galagan, consente di generare misurazioni continue man mano che il livello dell'ormone aumenta e diminuisce nel corpo, simile al sensore di glucosio. Inoltre, distingue il sensore dai metodi esistenti basati su anticorpi per misurare il progesterone, che forniscono solo una misurazione da un singolo punto nel tempo.

In un test con l'urina artificiale, i ricercatori hanno scoperto che il sensore, che può essere dotato di un lettore elettronico economico e portatile per applicazioni point-of-care, potrebbe rilevare il progesterone con una specificità sufficiente per l'uso clinico. Tutto ciò suggerisce che potrebbe essere adatto per l'uso domestico, sostituendo molti test di laboratorio per le misurazioni del progesterone che sono necessari durante il processo di fecondazione in vitro.

Il grande risultato dello studio, dice Galagan, è che è una "prima prova di principio che potremmo prendere un organismo, identificare una nuova proteina sensibile, isolare questa proteina dal batterio, e ingegnerizzarlo in un dispositivo sensore applicabile all'uso nel punto di cura. Per quanto ne sappiamo, questo non è mai stato fatto prima." Sottolinea che l'approccio di nuova concezione non utilizza i batteri come un sensore. Piuttosto, estrae i batteri per le parti proteiche, isola quelle parti, e poi li trasforma in sensori che possono essere utilizzati per l'ingegneria dei dispositivi.

"Fino ad ora, le tecnologie indossabili si sono concentrate principalmente su macro [indicatori] di salute, come la frequenza cardiaca, pressione sanguigna, eccetera., "dice Kenneth Lutchen, preside del College of Engineering della BU. "Ma abbiamo un disperato bisogno di metodi per prevedere l'insorgenza della malattia ben prima che creino pericolosi cambiamenti in tali misure. Il dott. Galagan e colleghi hanno dimostrato una prova di principio per fornire un monitoraggio in tempo reale degli indicatori microbici dello stato di salute in un modo che possa trasformare radicalmente il nostro capacità di impegnarsi in attività predittive, telemedicina domiciliare. In linea di principio, possono fornire una visione precoce specifica e sensibile dell'emergenza della malattia che porta a un intervento precoce, in modo che la qualità della vita sia migliorata riducendo drasticamente i costi sanitari".

La carta, la cui tecnologia è stata recentemente presentata al simposio di avvio del nuovo BU Precision Diagnostics Center, fornisce una base per lo sviluppo di molti altri sensori, basata sulla stessa classe di proteine. I ricercatori stanno attualmente costruendo su queste fondamenta, sviluppando una tecnologia per immobilizzare e distribuire tali sensori, e lavorando su modi per convertire le sue capacità di rilevamento in un segnale elettronico diretto.

"La cooptazione della biologia per scopi tecnologici richiede tipicamente la traduzione dei segnali biologici in un flusso di fotoni o elettroni, "dice Galagan. "Ci stiamo lavorando adesso."

"La cosa grandiosa di questo è la natura interdisciplinare della ricerca, "dice Klapperich, direttore del Precision Diagnostics Center della BU. "Abbiamo persone che fanno lavoro computazionale, lavoro molecolare, e le persone della scienza dei materiali che stanno costruendo i sensori. Lavorare con così tante persone provenienti da diverse parti dell'Università è entusiasmante".

Dal momento che la loro svolta è stata segnalata in Comunicazioni sulla natura , i ricercatori hanno già sviluppato un approccio di seconda generazione che consente loro di esaminare parti di campioni microbici complessi, piuttosto che da un singolo batterio coltivato. Lo screening "metagenomico" può cercare cose come il suolo, o il nostro microbioma, essenzialmente garantendo l'accesso alla piena diversità dei microbi per i ricercatori che cercano parti sensibili. E poiché l'approccio identifica un gene specifico oltre a una proteina sensibile, consente ai ricercatori di modificare il fattore di trascrizione in modi che potrebbero renderlo più potente o acquisire la capacità di rilevare altri composti chimici, come cortisolo o estrogeni.

"Proprio adesso, stiamo lavorando con gli ormoni, " dice Klapperich. "Ma questo può funzionare con tutti i tipi di cose. Non vedo l'ora che arriviamo a questo aumento".

La grande sfida avanti, Galagan dice, è l'impiego di tali sensori per monitorare la nostra salute e l'ambiente. Il suo team spera di utilizzare la tecnologia in costruzione nei laboratori di tutto il mondo per sviluppare una vasta gamma di applicazioni:dal rilevamento della salute dei coralli al monitoraggio delle variabili fisiologiche del sudore e del fluido interstiziale con un dispositivo indossabile non invasivo o minimamente invasivo.

"Questa è davvero solo la punta dell'iceberg, " afferma Galagan. "Ora siamo in grado di estrarre l'intera diversità dei microbi per progettare sensori per una vasta gamma di salute, biotecnologico, e applicazioni di consumo. Speriamo che un giorno questi sensori siano disponibili sugli scaffali accanto al monitor continuo del glucosio".