[論文レビュー] A Review on Bio-Cyber Interfaces for Intrabody Molecular Communications Systems

Yevgeni Koucheryavy, Anastasia Yastrebova+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2021

Molecular Communication and Nanonetworks参考文献 85被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、体内ナノネットワークにおける分子通信と従来の電子ネットワークの間を翻訳する役割を果たすバイオ・サイバーファシリティを提案する。これにより、リアルタイムで遠隔的な健康モニタリングおよび制御が可能になる。分子信号を電気的データに変換することで、ナノスケールのバイオセンサーとインターネットの統合が可能となり、埋め込み型または経口摂取可能なナノデバイスを用いた、パーソナライズドでリアルタイムのセラノスティクスの実現に道を開く。

ABSTRACT

The recent advancements in bio-engineering and wireless communications systems have motivated researchers to propose novel applications for telemedicine, therapeutics and human health monitoring. For instance, through wireless medical telemetry a healthcare worker can remotely measure biological signals and control certain processes in the organism required for the maintenance of the patient's health state. This technology can be further extended to use Bio-Nano devices to promote a real-time monitoring of the human health and storage of the gathered data in the cloud. This brings new challenges and opportunities for the development of biosensing network, which will depend on the extension of the current intrabody devices functionalities. In this paper we will cover the recent progress made on implantable micro-scale devices and introduce the perspective of improve them to foster the development of new theranostics based on data collected at the nanoscale level.

研究の動機と目的

• 分子レベルの体内通信を外部の電子ネットワークおよびインターネットベースのネットワークと接続する課題に対処すること。
• 埋め込み型および経口摂取可能なナノスケールデバイスの進化と現在の状態を、リアルタイムの健康モニタリングのためにレビューすること。
• 信頼性があり安全でスケーラブルな体内ナノネットワークを実現するための主な技術的および生物学的課題を特定すること。
• バイオ・サイバーファシリティが、遠隔的で自律的かつパーソナライズドなセラノスティクス応用を可能にする可能性を検討すること。
• 次世代遠隔医療を実現するための6Gおよびクラウドベースのインfra構造とナノネットワークを統合するための今後の研究方向性を提示すること。

提案手法

• 従来のコンピューターネットワークと互換性のある電気信号に変換するバイオ・サイバーファシリティを翻訳者として提案する。これは、化学的、音響的、または電磁的信号などの分子信号を処理する。
• 電磁界刺激を用いた、ナノペースメイカー、バイオセンサー、遺伝子調節システムを含む、体内ナノスケールデバイスの既存設計をレビューする。
• 体内のナノスケール間通信を実現するための拡散、流れ、場の伝播に基づく分子通信システムを分析する。
• 合成生物学およびナノ材料（例：金ナノクリスタル、磁性ナノ粒子）を用いて、制御可能で可逆的な分子アクチュエーションを可能にする。
• バイオ・コンパチブルなデバイスが分子信号で通信するナノネットワークを形成する「バイオ・ナノ・モノのインターネット（IoBNT）」の概念を導入する。このネットワークは、バイオ・サイバーファシリティを通じてインターネットと接続される。
• ナノネットワークとクラウドインfraの統合を検討し、継続的で遠隔的なモニタリングおよびデータ駆動型治療介入を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 人体内で生成された分子信号を、従来の通信ネットワークに送信可能な電気信号に信頼性高く変換する方法は何か？
• RQ2 体内ナノスケールデバイスおよびその接続部の安全性、安定性、耐久性を確保するための主な技術的および生物学的課題は何か？
• RQ3 バイオ・サイバーファシリティは、ナノスケールでの生理的プロセスのリアルタイムで遠隔的なモニタリングおよび制御をどのように可能にするか？
• RQ4 人体内におけるナノスケール間通信を、信頼性が高く、遅延が少なく、スケーラブルに実現するための分子通信システムは、どのように設計できるか？
• RQ5 体内ナノネットワークを6Gおよびクラウドベースのシステムと統合する将来的な見通しは何か？

主な発見

• バイオ・サイバーファシリティは、体内分子通信ネットワークと外部の電子およびインターネットベースのシステムを接続するために不可欠である。
• DNA分子に結合した金ナノクリスタルの電磁界刺激により、数秒以内に可逆的かつ局所的なDNA二重螺旋の解離が可能となり、精密な遺伝子制御が実現できる。
• 電磁波を用いたナノペースメイカーは、心筋細胞を刺激してカルシウムイオンの交換を制御でき、標的性のある心臓治療の可能性を示している。
• 経口摂取可能なバイオセンサーは、化学的、音響的、または電磁的信号を用いて、腸内細菌のクォーラムセンシング反応を誘発し、腸内環境のリアルタイムモニタリングを可能にする。
• ナノネットワークとクラウドインfraの統合により、分子レベルで収集された生理的データに対する継続的で遠隔的かつリアルタイムのアクセスが可能になる。
• 細胞アポトーシス、細胞骨格の破壊、デバイスの耐久性といった課題は、体内システムの長期的安定性と信頼性を確保するため、慎重に管理する必要がある。