|
Сетевые нанобиосенсоры для беспроводной связи в крови
|
|
|
|
Биологические вычислительные машины, такие как микро- и наноимплантаты, которые могут собирать важную информацию внутри человеческого тела, меняют медицину. Тем не менее, объединить их в сеть для общения оказалось непросто. Теперь глобальная команда, в которую входят исследователи EPFL, разработала протокол, который позволяет создать молекулярную сеть с несколькими передатчиками. Сначала был Интернет вещей (IoT), а теперь, на стыке информатики и биологии, Интернет био-нано вещей (IoBNT) обещает совершить революцию в медицине и здравоохранении. IoBNT относится к биосенсорам, которые собирают и обрабатывают данные, к наномасштабным лабораториям на чипе, которые проводят медицинские тесты внутри тела, к использованию бактерий для создания биологических наномашин, способных обнаруживать патогены, и к нанороботам, которые плавают. через кровоток для осуществления адресной доставки и лечения лекарств.
|
|
|
|
«В целом, это очень, очень интересная область исследований», — объяснил доцент Хайтам Аль Хассание, руководитель лаборатории сенсорных и сетевых систем Школы компьютерных и коммуникационных наук (IC) EPFL. «Благодаря достижениям в области биоинженерии, синтетической биологии и нанотехнологий идея состоит в том, что нанобиосенсоры произведут революцию в медицине, поскольку они смогут достигать мест и делать то, чего не могут современные устройства или более крупные имплантаты», — продолжил он. Однако какой бы захватывающей ни была эта передовая область исследований, остается огромная фундаментальная проблема: когда в чьем-то теле находится наноробот, как вы будете с ним общаться? Традиционные методы, такие как беспроводная радиосвязь, хорошо работают с большими имплантатами, такими как кардиостимуляторы или дефибрилляторы, но их нельзя масштабировать до микро- и наноразмеров, а беспроводные сигналы не проникают через жидкости организма.
|
|
|
Введите так называемую биомолекулярную коммуникацию, вдохновленную самим телом. Он использует не электромагнитные волны, а биологические молекулы как носители и информацию, имитируя существующие механизмы связи в биологии. В своей простейшей форме он кодирует биты «1» и «0», выпуская или не выпуская молекулярные частицы в кровоток — аналогично вводу-выключению в беспроводных сетях. «Биомолекулярная коммуникация стала наиболее подходящей парадигмой для объединения наноимплантов в сеть. Это невероятная идея: мы можем отправлять данные, кодируя их в молекулы, которые затем проходят через кровоток, и мы можем общаться с ними, указывая им, куда идти и что делать. когда выпустить свои методы лечения, как и гормоны», — сказал Аль Хассание. Недавно Аль Хассание и его команда в сотрудничестве с исследователями из США представили свою статью «На пути к практическим и масштабируемым молекулярным сетям» на ежегодной конференции по передаче данных ACM SIGCOMM 2023, в которой они изложили свой MoMA (Molecular Multiple Molecular Networks). Access) протокол, который позволяет создать молекулярную сеть с несколькими передатчиками.
|
|
|
|
«Большинство существующих исследований носят чисто теоретический характер и не работают, потому что теории не учитывают биологию», — объяснил Аль Хассание. «Например, каждый раз, когда сердце сокращается, возникает дрожь, и организм меняет свой внутренний канал связи. Большинство существующих теорий предполагает, что канал, по которому вы посылаете молекулы, очень стабилен и не меняется. На самом деле он меняется очень быстро». В MoMA команда представила схемы обнаружения пакетов, оценки каналов и кодирования/декодирования, которые используют уникальные свойства молекулярных сетей для решения существующих проблем. Они оценили протокол на синтетическом экспериментальном стенде — имитирующем кровеносные сосуды с трубками и насосами — и продемонстрировали, что он может масштабироваться до четырех передатчиков, значительно превосходя при этом самые современные технологии.
|
|
|
|
Исследователи признают, что их нынешний синтетический испытательный стенд может не охватывать все проблемы, связанные с разработкой протоколов для молекулярных сетей, и что для создания практичных и развертываемых молекулярных сетей необходимо тестирование микроимплантатов и микрожидкостей in vivo в влажных лабораториях. Тем не менее, они полагают, что сделали первые шаги на пути к этому видению и что их идеи по проектированию молекулярных сетей сохранятся, поскольку лежащие в их основе модели диффузии и гидродинамики на их испытательном стенде имеют фундаментальное значение для молекулярной коммуникации. «Я очень воодушевлен этой областью, потому что это новая форма коммуникации. Мы — системная группа, нам нравится создавать вещи и заставлять их работать. Потребовалось время, чтобы развить наш опыт в области биомолекулярной коммуникации, но сейчас мы находимся на этапе где мы находим сотрудников и можем сдвинуть дело с мертвой точки. Люди думают, что это научная фантастика, но это быстро переходит в научный факт», — заключил Аль Хассание.
|
|
|
|
Источник
|
