Implanteerbare biosensoren krijgen een belangrijke levensduur van een lange levensduur met coatingtechnologie die biofouling remt

Wearable en implanteerbare biosensoren die biologische moleculen op een niet-of minimaal invasieve manier nauwkeurig kunnen detecteren, hebben een enorm potentieel voor het monitoren van de fysiologie van patiënten en de respons op therapieën. Draagbare glucosemonitors die de bloedglucosewaarden meten en deze metingen omzetten in gemakkelijk leesbare en continu geregistreerde elektrische signalen zijn onmisbaar geworden bij het beheer van diabetespatiënten. Soortgelijke biosensoren zijn ontwikkeld voor het monitoren van elektrolyten in zweet, biomarkers in interstitiële vloeistof nabij het huidoppervlak en om te rapporteren over de functie van interne weefsels.

Deze implanteerbare Biosensor-apparaten zijn echter alleen voor een beperkte tijd nuttig vanwege een fenomeen dat bekend staat als “biofoulling” waarin bacteriën, menselijke cellen of diverse moleculen in de biofluids van het lichaam worden opgebouwd, waardoor de interactie met de doelmolecule (analyte) wordt gebonden, verondersteld te binden, verondersteld te binden, verondersteld, verondersteld te zijn, verondersteld te zijn, verondersteld zijn elektrische signaal-mechanisme. Bovendien kunnen geïmplanteerde biosensoren zogenaamde “vreemde lichaamsreacties” veroorzaken door de ongewenste stimulatie van nabijgelegen pro-inflammatoire immuuncellen die fibrotische weefselreacties kunnen veroorzaken.

Het overwinnen van deze uitdaging zou de deur openen voor veel klinische diagnostische en onderzoekstoepassingen, zoals bijvoorbeeld langdurige steady-state monitoring van patiënten met chronische of auto-immuunziekten; beoordelingen van de antwoorden van patiënten op bestaande therapieën of nieuwe therapieën die in klinische onderzoeken zijn getest; en metingen van fysiologische en pathologische signalen in veel organen, waaronder de hersenen.

Nu heeft een multidisciplinair onderzoeksteam van het WYSS Institute aan de Harvard University een nieuwe coatingtechnologie ontwikkeld die belofte belooft om de levensduur van geïmplanteerde en draagbare biosensoren aanzienlijk te verhogen met behoud van hun elektrische signaalactiviteiten, waardoor continue metingen van analyten in verschillende biofluids in verschillende biofluiden vele weken worden behouden.

Zoals aangetoond door het team, remde de coating, wanneer ze op elektrochemische sensorapparaten overladen, de groei van pseudomonas aeruginosa, een bacteriesoort die verantwoordelijk is voor de vorming van antibioticaresistente biofilms op biosensoren en andere geïmplanteerde apparaten. De coating voorkwam ook de hechting van primaire menselijke fibroblasten en ongewenste activering van immuuncellen in zijn omgeving, terwijl de detectiemogelijkheden van proof-of-concept-sensoren werden behouden, ontworpen om twee prominente inflammatoire eiwitten te binden, volledig functioneel gedurende ten minste drie weken. Hun bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift Biosensoren.

“Met deze nieuwe coatingtechnologie, die duurzame bescherming van implanteerbare Biosensor-apparaten kan bieden, hebben we een centraal bottleneck verwijderd bij de ontwikkeling van de volgende generatie elektrochemische in vivo sensoren. In het tijdperk van gepersonaliseerde geneeskunde en digitale gezondheid, leidt het een overvloed aan diagnostische en onderzoekstoepassingen binnen het bereik,” zei Wys Institute Sounding Director Sounding Director, MD, MD, MD, Ph.D., die de studie leidt.

“Het is ook een bewijs van de laser-sharp-focus van het elektrochemische sensorgeam van de WYSS bij het oplossen van problemen die de vooruitgang in de klinische zorg aanzienlijk vertragen.” Hij is ook de Judah Folkman hoogleraar vasculaire biologie aan de Harvard Medical School en Boston Children’s Hospital, en de Hansjörg Wyss hoogleraar biologisch geïnspireerde engineering aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

De nieuwe coatingtechnologie bouwt voort op een traditie van zeer innovatieve elektrochemische biosensorontwikkelingen bij het WYSS Institute. Sommige van de innovaties van het platform worden momenteel gecommercialiseerd door de WYSS-Enabled Startup Statadx, die testen ontwikkelt om verschillende moleculaire veranderingen in het menselijk brein te detecteren met behulp van een druppel bloed verkregen van patiënten.

Om continue elektrochemische biomarkermetingen in vivo echter in de tijdsperioden van meerdere weken mogelijk te maken, first-auteur Sofia Wareham-Mathiasen, Ph.D. En haar collega’s in het team van Ingber creëerden de nieuwe coating, die bestaat uit een verknoopt rooster van runderserumalbumine (BSA) en gefunctionaliseerd grafeen. Terwijl de grafeencomponent zorgt voor efficiënte elektrische signalering, vormt het BSA -rooster een natuurlijke barrière die niet -specifieke binding van een groot scala aan mogelijke leven en moleculaire verontreinigingen voorkomt; Het maakt ook de stabiele opname van analyt-detecterende antilichamen in de coating mogelijk, evenals antibioticumgeneesmiddelen die biofouling actief bestrijden.

In hun proof-of-concept-studie toonde het team aan dat ze gedurende meer dan drie weken continu en nauwkeurig twee belangrijke ontstekingsbiomarkers konden detecteren, met behulp van specifiek ontworpen sensoren die werden blootgesteld aan complex menselijk plasma. In dezelfde tijdsinterval weerstond de coating de bevestiging van menselijke fibroblastcellen en de vorming van biofilms die meestal worden geproduceerd door P. aeruginosa-bacteriën, terwijl onopvallend tot pro-inflammatoire immuuncellen blijven.

Bovendien kan de coating worden gefabriceerd uit goedkope componenten in een eenvoudig schaalbaar proces om de fabricage van in vivo biosensoren in grote hoeveelheden te vergemakkelijken. Het Wyss Institute heeft deze nieuwe coatingtechnologie gepatenteerd en is op zoek naar partners om de vooruitgang ervan in real-world toepassingen te vergemakkelijken om het leven van patiënten en wetenschappelijke ontdekking direct te beïnvloeden.

Andere auteurs in de studie zijn voormalig Wyss senior wetenschapper Pawan Jolly, die een belangrijke rol speelde bij het bevorderen van het elektrochemische biosensorplatform van Wyss; Medewerkers van de industrie Henrik Bengtsson in Novo Nordisk en Thomas Bjarnsholt in het Costerton Biofilm Center van University of Copenhagen, Denemarken; evenals Wyss -onderzoekers Nandhinee Radha Shanmugam, Badrinath Jagannath, Pranav Prabhala, Yunhao Zhai, Alican Ozkan, Arash Naziripour en Rohini Singh.