Communication Theoretical Foundation of Wireless Nanonetworks

De ekstracellulære vesiklene deltar i intercellulær signalering og er svært relevante enheter for både fysiologiske- og patologiske prosesser. Nye medikamentleveringssystemer har blitt foreslått ved å bruke ekstracellulære vesikler som bærere av aktive biomolekyler mot målcellene. CIRCLE-prosjektet er utformet rundt en beregningsmetodikk som teoretisk kvantifiserer og analyserer transporten av ekstracellulære vesikler i hjertevevet for å studere distribusjon av terapeutiske midler. De første modellene dekker aspektene ved den ekstracellulære frigjøringen fra celler, både ikke-stimulert og stimulert, transport gjennom de kardiovaskulære nettverkene og den ekstracellulære hjertematrisen, og opptak i mottakerceller. Vi har studert frigjøring av ekstracellulære vesikler fra pluripotente stamcelleavledede atrie- og ventrikulære kardiomyocytter. Våre utviklede modeller bidrar til forståelsen av den ekstracellulære vesikkeldynamikken, blant annet tiden som trengs for sekresjon og frigjøring, samt de kritiske komponentene i biosystemet som påvirker vellykket transport av de ekstracellulære vesiklene. Resultatene våre avslører at diffusivitetskonstanten, volumfraksjonen og tortuositeten til matrisen i stor grad påvirker transporten. Et viktig funn er at ligand-reseptor-interaksjoner ved målcellene kan føre til flere internaliserte ekstracellulære vesikler sammenlignet med andre internaliseringsmekanismer, for eksempel clathrin-mediert endocytose, til tross for den langsomme internaliseringsprosessen ved målceller. Forskningen utført så langt i CIRLCE har ført til ny kunnskap ettersom nye forskningsretninger dukker opp. Våre neste skritt går mot utviklingen av en avansert datamodell for optimalisering og evaluering av myokardreparasjonsterapi basert på ekstracellulære vesikler. Spesifikt vil vi se nærmere på den mikroRNA-baserte terapien for behandling av akutt hjerteinfarkt hos utvalgte pasienter og evaluere dennes effektivitet.. Den nye datamodellen vil bruke synergi fra fysiologibasert modellering med eksperimentelle data og kunstig intelligens-teknikker. Primære eksperimenter vil bli utført i svinemodeller og disse studiene vil bli brukt i utformingen av en tidlig studie ved bruk av pasientdata.

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.