https://phys.org/news/2023-11-networking-nano-biosensors-wireless-communication-blood.amp
Networking nano-biosensors for wireless communication in the blood
Rețea de nano-biosenzori pentru comunicarea fără fir în sânge
Mașinile de calcul biologice, cum ar fi micro și nano-implanturile care pot colecta informații importante în interiorul corpului uman, transformă medicina. Cu toate acestea, conectarea lor în rețea pentru comunicare s-a dovedit o provocare. Acum, o echipă globală, inclusiv cercetători EPFL, a dezvoltat un protocol care permite o rețea moleculară cu mai mulți transmițători.
Mai întâi, a existat Internetul lucrurilor (IoT), iar acum, la interfața dintre informatică și biologie, Internetul Lucrurilor Bio-Nano (IoBNT) promite să revoluționeze medicina și îngrijirea sănătății. IoBNT se referă la biosenzori care colectează și procesează date , Labs-on-a-Chip la scară nano care efectuează teste medicale în interiorul corpului, utilizarea bacteriilor pentru a proiecta nano-mașini biologice care pot detecta agenți patogeni și nano-roboți care înoată prin fluxul sanguin pentru a efectua administrarea și tratamentul țintit de medicamente.
„În general, acesta este un domeniu de cercetare foarte, foarte interesant”, a explicat profesor asistent Haitham Al Hassanieh, șeful Laboratorului de Sisteme de Sensare și Rețea din Școala de Științe Calculatoare și Comunicații (IC) a EPFL. „Cu progresele în bio-inginerie, biologie sintetică și nanotehnologie, ideea este că nano-biosenzorii vor revoluționa medicina, deoarece pot ajunge în locuri și pot face lucruri pe care dispozitivele actuale sau implanturile mai mari nu le pot”, a continuat el.
Cu toate acestea, oricât de interesant este acest domeniu de cercetare de ultimă oră, rămâne o provocare uriașă, fundamentală - când ai un nano-robot în corpul cuiva, cum vei comunica cu el? Tehnicile tradiționale, cum ar fi radiourile fără fir, funcționează bine pentru implanturi mari, cum ar fi stimulatoarele cardiace sau defibrilatoarele, dar nu pot fi scalate la dimensiuni micro și nano, iar semnalele wireless nu pătrund prin fluidele corporale .
Intră în ceea ce se numește comunicare biomoleculară , inspirată de organismul însuși. Nu utilizează unde electromagnetice, ci molecule biologice atât ca purtători, cât și ca informații, mimând mecanismele de comunicare existente în biologie. În forma sa cea mai simplă, codifică biții „1” și „0” prin eliberarea sau neeliberarea de particule moleculare în fluxul sanguin – similar cu tastele ON-OFF-Keying în rețelele fără fir .
„Comunicarea biomoleculară a apărut ca cea mai potrivită paradigmă pentru conectarea în rețea a nanoimplantelor. Este o idee incredibilă că putem trimite date prin codificarea lor în molecule care apoi trec prin fluxul sanguin și putem comunica cu ei, ghidându-i unde să meargă și când să-și elibereze tratamentele, la fel ca hormonii”, a spus Al Hassanieh.
Recent, Al Hassanieh și echipa sa, în colaborare cu cercetători din Statele Unite, și-au prezentat lucrarea , „Towards Practical and Scalable Molecular Networks”, la ACM SIGCOMM 2023 , o conferință anuală despre comunicarea datelor, în care și-au conturat MoMA (Molecular Multiple). Access) protocol care permite o rețea moleculară cu mai mulți transmițători.
„Majoritatea cercetărilor existente sunt foarte teoretice și nu funcționează, deoarece teoriile nu au luat în considerare biologia”, a explicat Al Hassanieh. „De exemplu, de fiecare dată când inima pompează, există o agitație și corpul își schimbă canalul de comunicare internă. Majoritatea teoriilor existente presupun că canalul prin care trimiteți moleculele este foarte stabil și nu se schimbă. De fapt, se schimbă foarte repede.”
Cu MoMA, echipa a introdus sistemele de detectare a pachetelor, estimarea canalului și codare/decodare care valorifică proprietățile unice ale rețelelor moleculare pentru a aborda provocările existente. Ei au evaluat protocolul pe un banc de testare experimental sintetic - vase de sânge emulate cu tuburi și pompe - demonstrând că poate scala până la patru transmițătoare, în timp ce depășește semnificativ tehnologia de ultimă oră.
Cercetătorii recunosc că actualul lor banc de testare sintetic ar putea să nu surprindă toate provocările asociate cu proiectarea protocoalelor pentru rețele moleculare și că testarea in vivo a microimplanturilor și microfluidelor în laboratoarele umede este necesară pentru a realiza rețele moleculare practice și implementabile. Cu toate acestea, ei cred că au făcut primii pași către această viziune și că cunoștințele lor pentru proiectarea rețelelor moleculare vor fi valabile, deoarece modelele de difuzie și dinamica fluidelor subiacente din patul lor de testare sunt fundamentale pentru comunicarea moleculară.
"Sunt foarte încântat de acest domeniu pentru că este o nouă formă de comunicare. Suntem un grup de sisteme, ne place să construim lucruri și să le punem în funcțiune. A fost nevoie de timp pentru a dezvolta expertiza pe care o avem în comunicarea biomoleculară, dar acum suntem la stadiul de lucru. unde găsim colaboratori și putem pune lucrurile în mișcare. Oamenii cred că asta este science fiction , dar se trece rapid la realitate științifică", a concluzionat Al Hassanieh.