Forskningen innenfor CIRCLE-prosjektet har gjort fremskritt ved å etablere beregningsmetoder for diagnostisering av sykdommer, levering av terapeutiske midler og utvikling av kommunikasjonssystemer i kroppen, med spesielt fokus på cellekommunikasjon formidlet av ekstracellulære vesikler (EV). Vi studerte hvordan EV-er rømmer fra svulster og kommer inn i blodomløpet for å diagnostisere kreft eller overvåke utviklingen av sykdommen. For å finne svaret utviklet vi en datasimuleringsmodell som etterligner hvordan EV-er trenger inn i blodkarene. Modellen tar hensyn til både diffusjon og væskestrømning, samt svulstspesifikke faktorer som blodkarstruktur og permeabilitet. Ved å justere modellparametrene fant vi ut at en økning i permeabilitetskoeffisienten til blodkarveggen, slik den observeres i tumorvev, kan føre til en dobling av EV-penetrasjonshastigheten i blodet. Denne typen simulering gir pre-eksperimentell informasjon som kan bidra til å utvikle bedre væskebiopsianalyser for å oppdage og spore kreft. En lignende tilnærming ble brukt til å studere hjernerelaterte sykdommer, spesielt Alzheimers sykdom. Vi modellerte EV-kommunikasjonen mellom hjernecellene og viste hvordan to biologiske faktorer – natriumkonduktans i cellemembranene og tortuøsitet (strukturell kompleksitet) i hjernens ekstracellulære matriks – reduserer antallet EV-er som når frem til målneuronene. Dette resulterer i svakere og forsinkede kommunikasjonssignaler, som vi fanger opp gjennom en ny målemetode kalt signal-til-baseline-forholdet (SBR). Selv om dette fortsatt er en teoretisk modell, gir denne studien et kvantitativt rammeverk for å forstå hvordan Alzheimers sykdom forstyrrer kommunikasjonen mellom nevroner. Med fremtidig klinisk validering kan den tjene som grunnlag for tidlige diagnostiske verktøy for nevrodegenerative sykdommer.
Forskningen har også fokusert på å videreutvikle utformingen av effektive systemer for legemiddeladministrering i kreftbehandling. Legemidler må nå de riktige cellene, i riktig konsentrasjon og til riktig tid. For lite har ingen effekt, mens for mye kan forårsake skadelige bivirkninger og sløsing med ressurser. Semantisk informasjonsteori, et matematisk rammeverk som knytter sammen informasjon, betydning og funksjon, ble brukt på legemiddeladministrering. Et legemiddeladministrasjonssystem har blitt behandlet som om det var et kommunikasjonssystem: legemiddelpartiklene som sendes inn i kroppen er «signalet», og kreftcellene som mottar dem er «mottakerne». Det sentrale spørsmålet er: hvor mye informasjon kreves for at systemet skal oppnå sitt terapeutiske mål i et dynamisk miljø? Vår tilnærming introduserer nye verktøy for å svare på dette. Vi bruker en levedyktighetsfunksjon som oversetter legemiddelkonsentrasjon til terapeutisk effekt, og undersøker hvordan tiltak, som justering av dosering eller frigjøringshastighet, påvirker behandlingssuksessen. Ved å studere hvordan legemiddelkonsentrasjonen inne i kreftcellene korrelerer med konsentrasjonen utenfor, kan vi måle hvor effektivt systemet overfører sin «melding». Resultatet er en katalog med resultater som gir en kvantitativ veiledning for utforming og optimalisering av legemiddeladministrasjon. Dette gjør det mulig å bestemme optimale parameterverdier under reelle begrensninger som begrensede legemiddelmengder, nødvendig nøyaktighet eller kostnadseffektivitet.
Til slutt, inspirert av hvordan levende celler organiserer seg gjennom faseadskillelse, den naturlige prosessen der en enkelt blanding deles inn i forskjellige kompartimenter, introduserte vi et nytt modulasjonsskjema for molekylær kommunikasjon. I stedet for å sende informasjon ved å bare frigjøre eller holde tilbake molekyler, koder vår tilnærming data i spredningsmønstrene til diffunderende molekyler. Vi foreslo en metode kalt dual-carrier diffusion-division modulation (DDM), hvor flere molekylære bærere danner overlappende diffusjonsmønstre som kan tolkes som informasjon. Denne tilnærmingen er validert gjennom simuleringer og sammenlignet med etablerte molekylære kommunikasjonsteknikker. Resultatene viser at DDM ikke bare forbedrer ytelsen ved bruk av flere bærere, men også gir skjult kommunikasjon: signaler kan ikke fanges opp uten en delt nøkkel, noe som gjør det iboende sikkert. Denne innovative tilnærmingen bygger bro mellom biologi og kommunikasjonsteori ved å etterligne cellulære mekanismer, med potensielle anvendelser i cellulære sensorer og diagnostiske verktøy som integreres sømløst i levende miljøer.
Intra-body wireless sensor and actuator communication networks are necessary to provide solutions for implantable micro-devices to enable diagnostics, monitoring, and therapy. Current technology has significant drawbacks since presently available deep, bio-compatible implantation systems with life long operation are too poor and slow to support comprehensive diagnosis and therapies. Synthetic biology is an emerging scientific field with major disruptive potentials, and can manipulate cells using nanoscale devices thereby directly obtaining information from individual cells. However, present solutions have no external communication capabilities impairing practical use. This project will design and engineer biological cells that can transmit information to neighboring cells and cells placed far away enabling nanoscale electronic devices thereby creating macro-structures or synthetic tissues. Our vision and overall goal is to enable "cells to wirelessly connect to the Internet".
Towards this vision we have established a transdisciplinary team of researchers with international stature and expertise in synthetic and stem cell biology, communications engineering, and clinical medicine to develop cellular communication and control systems and test their performance. This project will design and develop a wireless sensor and actuator network of engineered cells that can sense and communication information for monitoring and deliver therapy. The developed engineered cells will be tested in cell and organoid cultures with imaging tools. The developed theories on information transfer between cells and control techniques for remote stimulation for therapy delivery will be simulated in a custom developed computer simulator and verified with the in-vitro experimental data. The project will recruit and train 1 PhD student and 2 Postdocs and has drawn up a comprehensive, multifaceted plan to disseminate, communicate and exploit the project results.
