Technologisch hergestellte zellbasierte Therapien sind unerlässlich, um lebensbedrohliche Krankheiten zu behandeln. Yuuji / iStock
Normalerweise benötigen Menschen mit Typ-1-Diabetes und manche mit Typ-2-Diabetes Insulin zur Behandlung. Dieses kann per Injektion oder mithilfe einer Insulinpumpe verabreicht werden.
Aber ein neues Konzept könnte Erschließen Sie Patienten ein völlig neues Maß an Komfort bei der Kontrolle ihrer Therapien — zellbasierte in diesem Fall.
Wissenschaftler des Departements Biosystems Science and Engineering, ETH Zürich, Schweiz, haben laut einer neuen Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde, ein autarkes Druckknopfgerät entwickelt, das manipulierte menschliche Zellen enthält, die direkt unter die Haut implantiert werden können Wissenschaftliche Fortschritte.
Mit anderen Worten, der Schlüssel zu einem gesunden Leben mit Diabetes könnte immerhin oberflächlich sein.
Selbstbehandlung von Diabetes auf Knopfdruck
Als Machbarkeitsnachweis zeigten die Forscher, dass die Fingerdruckaktivierung des Implantats den normalen Zuckerspiegel in einem Mausmodell für Typ-1-Diabetes wiederherstellen konnte.
"Es ist ein Quantensprung für die Verschmelzung von Elektronik mit Genetik und der Startschuss für therapeutische Anwendungen in der realen Welt," Martin Fussenegger, Forscher und Professor für Biotechnologie und Bioingenieurwesen, sagte IE in einem Interview.
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Der Druckknopf hat die Kraft, genetische Aktivitäten von Zellen durch Elektrizität auf ein völlig neues Niveau zu programmieren, fügte Fussenegger hinzu.
Piezoelektrische Medizintechnik spielt eine Schlüsselrolle
Engineered Cell-based Therapy ist eine mögliche Antwort auf lebensbedrohliche Krankheiten. Krankheiten wie Krebs und Typ-I-Diabetes erfordern jedoch die strenge Verabreichung von „genau dosierten therapeutischen Proteinen“.
Zelltherapieansätze, die auf synthetischen Genschaltern beruhen, wären sehr vorteilhaft, um die erforderliche Kontrolle zu ermöglichen. Inzwischen ist es ein bekannte Tatsache dass piezoelektrische Komponenten für viele primär sind lebensrettende Produkte.
Die piezoelektrischer Effekt ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, als Reaktion auf angelegte mechanische Belastung eine elektrische Ladung zu erzeugen. In ihrer Veröffentlichung erwähnen die Forscher, dass diese Eigenschaft piezoelektrischer Materialien „erhebliche“ Aufmerksamkeit für biomedizinische Anwendungen wie Gesundheitsüberwachung und Gewebezüchtung auf sich gezogen hat.
Ein neues zelluläres Kapselungsgerät
Die Kombination von piezoelektrischen Materialien mit Elektrogenetik könnte energieautarke und selbstgesteuerte, spannungsbasierte Systeme zur Programmierung elektroinduktiver Designerzellen ermöglichen.
Aber die geringe Amplitude und Frequenz der vom Organ erzeugten mechanischen Kräfte "beschränken die von piezoelektrischen Materialien erzeugte Spannung auf ein Niveau unterhalb der Spannung, die zum Auslösen dieser Zellen durch direkte Kopplungsstimulation erforderlich ist", lesen Sie die neue Studie.
Also wollten die Forscher eine entwickeln und testenZellkapselung Gerät, das diese niedrige Spannung nutzt, die durch sanftes Drücken einer PVDF-Folie Polyvinylidenfluorid erzeugt wirdpiezoelektrisch Modul zum „Triggern umhüllter elektrosensibler menschlicher Designerzellen“, um einen therapeutischen Output zu erzeugen.
Der Taster benötigt keine Elektronik
Dafür haben sie ein „einfaches“ knopfgroßes Gerät konstruiert, das künstlich hergestellte menschliche Zellen enthält, die direkt unter die Haut implantiert wurden.
Wenn die Haut über dem implantierten Knopf mit [einer] Kraft wie beim Tippen auf einer Tastatur gedrückt wird, erzeugt das Piezomodul im Druckknopf Strom, der die Zelle dazu anregt, eine bestimmte Menge Insulin freizusetzen, wobei die Dosis davon abhängt, wie oft Sie es tunKnopf drücken", sagt Fussenegger.
Zuvor war Fussenegger Teil eines Teams, das menschliche Zellen, die auf elektrische Felder reagieren durch Ausschüttung von Insulin. "Diese Zellen erforderten komplexe Elektronik und drahtlose Stromversorgung, um das Gerät zu steuern", fügte Fussenegger hinzu. Es war auch auf eine externe Stromversorgung angewiesen, um die implantierten therapeutischen Zellen „elektrisch zu stimulieren“.
Der Taster benötigt dagegen keine Elektronik. „Die für die Elektrostimulation der Zellen benötigte Energie wird einfach durch Drücken des Tasters erzeugt“, sagt Fussenegger.
Piezoelektrische Folien reduzieren die Anzahl der Herausforderungen
Durch Drücken mit dem Finger auf die Piezofolie der Geräte entsteht ein „sehr kleiner“ Wechselstrom, der die menschlichen Zellen zur Insulinausschüttung anregt.
"Um elektrosensitiv zu werden, wurden die Zellen mit zwei spezifischen Ionenkanälen ausgestattet, die die Depolarisation der Zellmembran auslösen, wenn sie elektrische Felder wahrnehmen. Wenn sie depolarisiert werden, setzen diese Zellen Insulin auf die gleiche Weise frei wie native Beta-Zellen", erklärt Fussenegger.
Die Technologie ist sehr ausgereift, sagt Fussenegger. Daher sieht das Team keine Hindernisse für Piezoelemente. Da piezoelektrische Folien sind gut etabliert, dieser Prozess reduziert die Anzahl der Herausforderungen, die „mehr auf dem zellulären Teil bleiben, wo die Langlebigkeit implantierter Zellen über einen längeren Zeitraum getestet werden muss“, fügte er hinzu.
Verbreitung der neuen Diabetes-Behandlungsmethode
Das Team wird mit der Industrie zusammenarbeiten oder ein Start-up-Unternehmen finden, um die Technologie für die Kliniken zu entwickeln. Fussenegger fügt hinzu, dass zellbasierte Therapien in der Regel etwa 10 Jahre benötigen, um auf den Markt zu kommen.
Aber wenn sie zu einer weit verbreiteten Alternative zu anderen Behandlungen werden, könnten solche Geräte – die eine spurlose Kontrolle ermöglichen, leicht ohne Stromquellen aktiviert werden können und ein „extrem kompaktes Design“ bieten – die Medizin erheblich verändern.Behandlungslandschaft für Diabetes und darüber hinaus.
Studienabstract
Spurenlose physikalische Hinweise sind für die Fernsteuerung der In-situ-Produktion und Echtzeit-Dosierung von Biopharmazeutika in zellbasierten Therapien wünschenswert. Aktuelle optogenetische, magnetogenetische oder elektrogenetische Geräte erfordern jedoch hochentwickelte Elektronik, komplexe Software, die von künstlicher Intelligenz unterstützt wird, undexterne Energieversorgung für Strom und Steuerung. Hier beschreiben wir ein autarkes subkutanes, per Knopfdruck gesteuertes Zellimplantat, das einfach durch wiederholten sanften Fingerdruck auf die darüber liegende Haut angetrieben wird. Das Drücken des Knopfes verursacht eine vorübergehende perkutane Verformung der eingebetteten piezoelektrischen Membran des Implantats,die in einer halbdurchlässigen, platinbeschichteten Zellkammer ausreichend Niederspannungsenergie erzeugt, um eine schnelle Freisetzung eines Biopharmazeutikums aus technisch hergestellten elektrosensiblen menschlichen Zellen zu vermitteln.Die Freisetzung wird durch Variieren der Frequenz und Dauer der Fingerdruckstimulation fein abgestimmtProof-of-Concept, wir zeigen die Fingerdruck-Aktivierung des SubsHautimplantat kann die Normoglykämie in einem Mausmodell für Typ-1-Diabetes wiederherstellen.Autarke Drucktastengeräte können Patienten ein neues Maß an Komfort bei der Kontrolle ihrer zellbasierten Therapien bieten.