La recherche sur l'intestin humain et les microbes essentiels à son travail - le microbiome intestinal - a connu un essor au cours de la dernière décennie, car les scientifiques ont appris que le système global a un impact beaucoup plus important sur notre corps qu'on ne le pensait auparavant. Déséquilibres des produits chimiques produits dans l'intestin, par exemple, ont été liés à des maladies comme la maladie de Parkinson et la maladie d'Alzheimer, et même l'hyperactivité chez les enfants. Pendant ce temps, les scientifiques travaillent également à créer de meilleurs diagnostics et thérapies pour les maladies spécifiques de l'intestin, comme le cancer du côlon.

"Le défi, c'est que l'intestin est comme une boîte noire. Nous ne le comprenons toujours pas complètement car c'est difficile d'accès et d'étude, " dit Maria Eugenia Inda, un boursier postdoctoral Pew au Département de génie électrique et informatique (EECS) du MIT.

Inda et ses collègues rapportent une nouvelle approche pour résoudre ce problème dans le journal Matériaux fonctionnels avancés . Leur travail consiste à encapsuler des bactéries vivantes dans un minuscule disque flexible d'hydrogel qui est ingéré. Ces bactéries, à son tour, peut détecter des composés qui pourraient indiquer une maladie. Après l'excrétion éventuelle du disque, les bactéries présentes dans le disque peuvent être analysées pour déterminer ce qu'elles ont détecté et à quelles concentrations.

Pour garder ces capteurs vivants dans l'intestin assez longtemps pour faire leur travail, plutôt que d'être naturellement excrété dans les six à 48 heures, l'équipe a rendu le disque magnétique. Combiné avec un petit aimant portable, cela maintient le système en place en interne pendant plusieurs jours. Enlevez l'aimant, et le capteur avec ses données est excrété et prêt pour l'analyse.

"Cette technologie passionnante offre un outil indispensable pour aider à contrôler et à comprendre les déséquilibres des produits chimiques produits dans le tractus gastro-intestinal, " dit Giovanni Traverso, Karl Van Tassel (1925) professeur de développement de carrière au département d'ingénierie du MIT. Traverso n'a pas été impliqué dans la recherche.

Les auteurs principaux de l'article Advanced Functional Materials sont Timothy Lu, professeur agrégé MIT d'EECS et de génie biologique, et Xuanhe Zhao, professeur au MIT de génie mécanique et de génie civil et environnemental. Lu est également affilié au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.

"Nous avons développé de nouveaux matériaux souples tels que les hydrogels magnétiques et étudié leurs mécaniques extrêmes telles que la déformation et l'adhésion dans l'intestin. En collaboration avec le laboratoire Lu, nous avons exploré les impacts des matériaux mous sur le vivant et la biomédecine, " dit Zhao.

Avec Zhao, Lou, et Inde, les autres auteurs sont l'étudiant diplômé Xinyue Liu, Étudiant invité Yueying Yang, Étudiant diplômé Shaoting Lin, Stagiaire postdoctoral Jingjing Wu, Étudiant diplômé Yoonho Kim, Associé postdoctoral Xiaoyu Chen, et associé postdoctoral Dacheng Ma. Ma et Inda sont dans le laboratoire Lu; les autres sont affiliés au laboratoire Zhao. Inde, Liu, et Yang a contribué à parts égales au travail.

De nombreux défis

Les Matériaux fonctionnels avancés document fait état d'avancées importantes vers la réalisation du système hydrogel-bactéries dans l'intestin. Par exemple, les chercheurs décrivent la meilleure "recette" pour le disque d'hydrogel qui lui permet non seulement de fournir une maison aux capteurs bactériens - et de leur permettre de se reproduire - mais également de survivre aux mouvements et aux pressions associés au système intestinal sans se briser ou se déloger .

L'équipe a montré que les bactéries pouvaient en effet survivre et prospérer dans le disque d'hydrogel jusqu'à sept jours. Chez la souris, la bactérie a détecté avec succès un saignement dans l'intestin. Plus loin, dans un modèle de l'intestin humain, les scientifiques ont montré que l'aimant portable maintenait le disque en place à plusieurs endroits différents, compris l'intestin grêle et le côlon ascendant.

Les bactéries utilisées dans le système ont été génétiquement modifiées par le laboratoire Lu pour détecter les facteurs associés aux saignements. Le laboratoire Lu travaille sur une variété d'autres bactéries génétiquement modifiées capables non seulement de détecter plusieurs produits chimiques, mais aussi libérer des thérapeutiques lorsqu'un problème est rencontré.

En plus des capteurs bactériens, l'équipe a également incorporé dans l'hydrogel un minuscule capteur de température électronique. Cette, trop, travaillé, montrant le potentiel d'intégration à la fois de la microélectronique et des capteurs vivants dans le système d'hydrogel.

Inda insiste sur le caractère collaboratif du travail. Les experts en hydrogel tels que Xinyue Liu, par exemple, visait à rendre la matrice de gel suffisamment résistante pour survivre à l'intérieur de l'intestin. Les biologistes, comme Inda, concentré sur le maintien des bactéries en vie dans le disque d'hydrogel. Ensemble, ils ont développé un système qui a atteint les deux objectifs.

Vers le futur

Inda note que même si cela peut prendre un certain temps pour que le système soit utilisé chez l'homme, "il pourrait être utilisé aujourd'hui chez les souris de laboratoire."

Rabia Yazicigil est professeure adjointe au Département de génie électrique et informatique de l'Université de Boston. dit Yazicigil, qui n'a pas participé à la recherche, "En localisant les bactéries diagnostiques dans des régions spécifiques de l'intestin, les hypothèses et traitements biologiques peuvent être facilement testés sur des modèles animaux, par exemple, par un changement d'alimentation, thérapeutique, ou altération génétique de l'hôte ou des microbes."

Et ces tests, à son tour, devrait déboucher sur de nouvelles connaissances avec des applications aux humains.