Lebende Bioelektronik:Intelligente Hautsensoren, die erkennen und heilen

Universität von Chicago, IL

Jiuyun Shi hält ein kleines Gerät in der Hand, das er und ein Team von Wissenschaftlern der University of Chicago erfunden haben und das lebende Zellen, Gel und Sensoren integriert, um „lebende Bioelektronik“ zur Heilung der Haut zu schaffen. (Bild:Jiuyun Shi und Bozhi Tian)

Seit Jahren lernt das Labor von Professor Bozhi Tian, wie man die Welt der Elektronik – starr, metallisch, sperrig – mit der Welt des Körpers – weich, flexibel, zart – integrieren kann.

In ihrer neuesten Arbeit haben sie einen Prototyp für das geschaffen, was sie „lebende Bioelektronik“ nennen – eine Kombination aus lebenden Zellen, Gel und Elektronik, die sich in lebendes Gewebe integrieren kann.

Die Pflaster bestehen aus Sensoren, Bakterienzellen und einem Gel aus Stärke und Gelatine. Tests an Mäusen ergaben, dass die Geräte Psoriasis-ähnliche Symptome kontinuierlich überwachen und verbessern konnten, ohne die Haut zu reizen.

„Dies ist eine Brücke zur traditionellen Bioelektronik, die lebende Zellen als Teil der Therapie einbezieht“, sagte Jiuyun Shi, Co-Erstautor der Arbeit und ehemaliger Doktorand. Student in Tians Labor (jetzt an der Stanford University).

„Wir sind sehr aufgeregt, weil die Entwicklung schon anderthalb Jahrzehnte gedauert hat“, sagte Tian.

Die Forscher hoffen, dass sich die Prinzipien auch auf andere Körperteile übertragen lassen, beispielsweise auf die kardiologische oder neuronale Stimulation. Die Studie wurde in Science veröffentlicht

Es war schon immer schwierig, Elektronik mit dem menschlichen Körper zu verbinden. Obwohl Geräte wie Herzschrittmacher das Leben unzähliger Menschen verbessert haben, haben sie auch Nachteile. Elektronik ist in der Regel sperrig und starr und kann Reizungen verursachen.

Aber Tians Labor ist darauf spezialisiert, die Grundprinzipien aufzudecken, die hinter der Interaktion lebender Zellen und Gewebe mit synthetischen Materialien stehen. Zu ihren früheren Arbeiten gehörte ein winziger Herzschrittmacher, der mit leichten und starken, aber flexiblen Materialien gesteuert werden kann, die die Grundlage für Knochenimplantate bilden könnten.

In dieser Studie gingen sie einen neuen Ansatz. Typischerweise besteht Bioelektronik aus der Elektronik selbst und einer weichen Schicht, damit sie den Körper weniger reizt.

Aber Tians Gruppe fragte sich, ob sie durch die Integration einer dritten Komponente neue Fähigkeiten hinzufügen könnten:lebende Zellen selbst. Die Gruppe war fasziniert von den heilenden Eigenschaften bestimmter Bakterien wie S. epidermidis ein Mikroorganismus, der natürlicherweise auf der menschlichen Haut lebt und nachweislich Entzündungen reduziert.

Ein hauchdünnes Pflaster enthält einen flexiblen elektronischen Schaltkreis, ein Gel aus Tapiokastärke und Gelatine sowie freundliche Bakterien, die bei der Behandlung von Hauterkrankungen helfen. (Bild:Jiuyun Shi und Bozhi Tian)

Sie haben ein Gerät mit drei Komponenten geschaffen. Das Gerüst ist ein dünner, flexibler elektronischer Schaltkreis mit Sensoren. Es ist mit einem Gel aus Tapiokastärke und Gelatine überzogen, das ultraweich ist und die Zusammensetzung des Gewebes selbst nachahmt. Schließlich S. epidermidis Mikroben sind im Gel eingeschlossen.

Wenn das Gerät auf die Haut gelegt wird, scheiden die Bakterien Verbindungen aus, die Entzündungen reduzieren, und der Sensor überwacht die Haut auf Signale wie Hauttemperatur und Luftfeuchtigkeit.

In Tests mit Mäusen, die zu Psoriasis-ähnlichen Hauterkrankungen neigten, kam es zu einer deutlichen Verringerung der Symptome.

Ihre ersten Tests dauerten eine Woche, aber die Forscher hoffen, dass das System, das sie als ABLE-Plattform für Active Biointegrated Living Electronics bezeichnen, ein halbes Jahr oder länger verwendet werden kann. Um die Behandlung bequemer zu gestalten, könne das Gerät zur Lagerung gefriergetrocknet und bei Bedarf einfach rehydriert werden.

Da die heilende Wirkung von Mikroben herrührt, „ist es wie eine lebende Droge – man muss sie nicht nachfüllen“, sagte Saehyun Kim, der andere Co-Erstautor der Arbeit und aktueller Doktorand. Student in Tians Labor.

Zusätzlich zur Behandlung von Psoriasis können sich die Wissenschaftler Anwendungen wie Pflaster zur Beschleunigung der Wundheilung bei Patienten mit Diabetes vorstellen.

Sie hoffen auch, den Ansatz auf andere Gewebetypen und Zelltypen auszuweiten. „Könnten Sie zum Beispiel ein Insulin produzierendes Gerät entwickeln oder ein Gerät, das mit Neuronen interagiert?“ sagte Tian. „Es gibt viele mögliche Anwendungen.“

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Laurie Fickman unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.; 713-743-8454.