Кровь становится беспроводной сетью — как такое возможно?

Крошечные устройства внутри нашего тела, такие как микро- и наноимплантаты, собирают важную информацию, меняя подход в медицине. Но разобраться с их подключением было непросто. Теперь международная группа ученых создала молекулярную сеть со множеством передатчиков.

Сначала появился Интернет вещей (IoT). Теперь, на стыке информатики и биологии, у человечества есть Интернет био-нано-вещей (IoBNT), который изменит медицину и здравоохранение. IoBNT включает в себя:

  • биосенсоры для сбора и обработки данных,

  • крошечные лаборатории на чипе, которые проводят медицинские тесты внутри тела,

  • созданные бактериями наномашины, которые обнаруживают патогены,

  • Нанороботы, которые передвигаются по кровотоку для точной доставки лекарств.

В целом, это очень интересная область исследований. Благодаря достижениям в области биоинженерии, синтетической биологии и нанотехнологий нанобиосенсоры произведут революцию в медицине, поскольку они смогут достигать удаленных мест в человеческом теле и делать то, чего не могут современные устройства или более крупные имплантаты. 

Несмотря на ажиотаж в этой передовой области, остается серьезная проблема: как поддерживать связь с нанороботом внутри чьего-то тела? Традиционные методы, такие как беспроводная радиосвязь, практичны для больших имплантатов. Однако они не масштабируются до микро- и наноразмеров, а их сигналы не могут проникать в жидкости организма.

Новое решение называется биомолекулярной связью, а его идея вдохновлена самим человеческим телом

Биомолекулярная связь не использует электромагнитные волны; вместо этого она полагается на биологические молекулы в качестве носителей информации, имитируя естественные коммуникационные процессы в биологии. В своей простейшей форме она кодирует биты «1» и «0», выпуская или не выпуская молекулярные частицы в кровоток, аналогично включению-выключению в беспроводных сетях.

Биомолекулярная связь стала наиболее подходящей парадигмой для объединения наноимплантатов в сеть. Это невероятная идея: появилась возможность отправлять данные, кодируя их в молекулы, которые проходят через кровоток. Подобно гормонам, с ними можно «общаться», подсказывая им, куда направляться и когда начинать лечение.

Работа была представлена на конференции ACM SIGCOMM 2023. В ее рамках создатели представили протокол MoMA (молекулярный множественный доступ), позволяющий создать молекулярную сеть с несколькими передатчиками.

По мнению авторов разработки, существующие исследования должны быть адаптированы к реальным сценариям, а сейчас они не учитывают биологию. Например, внутренний канал связи тела быстро меняется с каждым ударом сердца, в отличие от того, что многие теории предполагают стабильный и неизменный канал.

В МоМА включены новые методы решения проблем в молекулярных сетях. Ученые использовали обнаружение пакетов, оценку каналов и схемы кодирования/декодирования, адаптированные к уникальным свойствам молекулярных систем. Испытывая его на синтетической экспериментальной установке, имитирующей кровеносные сосуды, они обнаружили, что метод может работать с четырьмя передатчиками, что превосходит нынешние технологии.

Авторы разработки признают подчеркивают необходимость проведения испытаний in vivo во влажных лабораториях с использованием микроимплантатов и микрожидкостей. Несмотря на это, модели, лежащие в основе их испытаний, уже сейчас имеют решающее значение для молекулярной коммуникации.

Исследование подчеркивает важность биомолекулярной коммуникации как решения проблемы связи в биологических вычислительных машинах. Имитируя внутренние механизмы связей в теле человека, этот подход демонстрирует многообещающие возможности для облегчения эффективной связи с нанороботами и другими микромасштабными устройствами внутри человеческого тела.