Micrometer-scale wireless cell fluorescence detection device
- Reference number
- RMX18-0066
- Project leader
- Berggren, Per-Olof
- Start and end dates
- 200101-251231
- Amount granted
- 32 962 368 SEK
- Administrative organization
- Karolinska Institutet
- Research area
- Life Science Technology
Summary
Our long-term goal is to develop a fully-implantable wireless micrometer-sized sensor device for dynamic health functional monitoring in diabetic and pre-diabetic patients. The goal for the five-year-project is to develop the technical platform and evaluate it in vivo in animal models. Genetically-encoded fluorescent biosensors that report cell function will be expressed in pancreatic islet cells. The islet will be incorporated in a miniaturized optoelectronic fluorescence recording device that can be implanted and read the signal from the biosensor in vivo. The work plan includes development of a bio-compatible scaffold that will integrate an islet with a fluorescence recording system, which will allow islet vascularization and innervation to permit full functional in vivo integration. A wired photonic microdevice will be developed as the first intermediate prototype, including components for fluorescence excitation and detection, to evaluate system architecture and function. A miniature ultra-low-power integrated circuit will be developed to serve as control electronics, and wireless power and data transfer techniques will be developed. Expected final results include methods and technology to manufacture the functional bio-compatible scaffold, an integrated circuit and the power transfer technique. Finally, the fully integrated wireless photonic microdevice will be completed and tested in vivo.
Popular science description
Vårt långsiktiga mål är att utveckla en mycket liten enhet som kan transplanteras till diabetiker för att mäta insulinproducerande cellers funktion i realtid, vilket är en viktig parameter speciellt för vård av diabetiker och pre-diabetiker. Idag mäts dessa cellers funktion genom en speciell undersökning på klinik (ett glukostoleranstest) som endast utförs på vissa patienter med en 2-timmars-procedur, vilket gör att denna parameter i praktiken mäts alltför sällan för en adekvat behandling. Tekniskt sett vill vi därför utveckla en enhet som kopplas till cellklumpar (pankreatiska cellöar) och transplanteras in i kroppen tillsammans med dessa. Cellklumparna kommer efter en tid att få nybildade blodkärl, vilket ansluter cellerna till blodet och därmed integreras dessa med kroppen. Cellklumparna kommer att förses med speciella proteiner som är fluorescerande och med hjälp av dessa kan man mäta t.ex. förändringar av koncentrationen av obundet kalcium i cellerna, vilket återspeglar deras funktion och avgör om de är effektiva. Enheten som kopplas till cellerna kommer att vara utrustad med en ljuskälla och en detektor för att mäta cellernas fluorescens. Dessutom kommer enheten att innehålla en mycket energisnål elektronisk integrerad krets för att kontrollera ljus, detektion och dataöverföring. Avsikten är att enheten i slutändan ska fungera helt trådlöst, d.v.s. att den ska kunna styras, överföra data och få energi helt utan trådanslutningar. Initialt kommer en trådbunden prototyp att utvecklas för att testa funktion och design av enheten innan man går vidare. Tekniken för trådlös energiöverföring kommer att utvecklas parallellt för att så småningom kunna energiförsörja systemet. En utmaning med att transplantera en främmande enhet till kroppen är att kroppen kan kapsla in denna eller reagera på andra oönskade sätt. Därför ingår det som en viktig del av projektet att utprova teknik och material som kan användas för att enheten och cellklumparna ska integreras med kroppen på bästa sätt. Slutmålet för det 5-åriga projektet är att tillverka en trådlös enhet och visa att vi kan använda den efter transplantation för att mäta kalcium i de insulinproducerande cellerna. För detta projekt krävs spetskompetenser inom flera dicipliner, varför vi initierat ett multidiciplinärt samarbete mellan forskare på de tre svenska universiteten Karolinska Institutet, Kungliga Tekniska Högskolan samt Linköpings Universitet.