Los investigadores del MIT han construido un sensor ingerible equipado con bacterias modificadas genéticamente que pueden diagnosticar hemorragias en el estómago u otros problemas gastrointestinales.

Este enfoque de "bacterias en un chip" combina sensores hechos de células vivas con componentes electrónicos de muy baja potencia que convierten la respuesta bacteriana en una señal inalámbrica que puede leerse con un teléfono inteligente.

"Al combinar sensores biológicos diseñados junto con electrónica inalámbrica de baja potencia, podemos detectar señales biológicas en el cuerpo y casi en tiempo real, habilitar nuevas capacidades de diagnóstico para aplicaciones de salud humana, "dice Timothy Lu, profesor asociado del MIT de ingeniería eléctrica e informática y de ingeniería biológica.

En el nuevo estudio, que aparece en la edición en línea del 24 de mayo de Ciencias , los investigadores crearon sensores que responden al hemo, un componente de la sangre, y demostró que trabajan en cerdos. También diseñaron sensores que pueden responder a una molécula que es un marcador de inflamación.

Lu y Anantha Chandrakasan, decano de la Escuela de Ingeniería del MIT y profesor Vannevar Bush de Ingeniería Eléctrica e Informática, son los autores principales del estudio. Los autores principales son el estudiante graduado Mark Mimee y el ex postdoctorado del MIT Phillip Nadeau.

Comunicación inalámbrica

En la última decada, Los biólogos sintéticos han logrado grandes avances en la ingeniería de bacterias para responder a estímulos como contaminantes ambientales o marcadores de enfermedades. Estas bacterias pueden diseñarse para producir salidas como luz cuando detectan el estímulo objetivo, pero generalmente se requiere equipo de laboratorio especializado para medir esta respuesta.

Para hacer que estas bacterias sean más útiles para aplicaciones del mundo real, el equipo del MIT decidió combinarlos con un chip electrónico que podría traducir la respuesta bacteriana en una señal inalámbrica.

"Nuestra idea era empaquetar células bacterianas dentro de un dispositivo, ", Dice Nadeau." Las células quedarían atrapadas y seguirían el viaje mientras el dispositivo pasaba por el estómago ".

Para su demostración inicial, los investigadores se centraron en el sangrado en el tracto gastrointestinal. Diseñaron una cepa probiótica de E. coli para expresar un circuito genético que hace que las bacterias emitan luz cuando se encuentran con el hemo.

Colocaron las bacterias en cuatro pozos en su sensor de diseño personalizado, cubierto por una membrana semipermeable que permite que pequeñas moléculas del entorno circundante se difundan. Debajo de cada pozo hay un fototransistor que puede medir la cantidad de luz producida por las células bacterianas y transmitir la información a un microprocesador que envía una señal inalámbrica a una computadora o teléfono inteligente cercano. Los investigadores también crearon una aplicación de Android que se puede utilizar para analizar los datos.

El sensor que es un cilindro de aproximadamente 1.5 pulgadas de largo, requiere alrededor de 13 microvatios de potencia. Los investigadores equiparon el sensor con una batería de 2,7 voltios, que estiman que podría alimentar el dispositivo durante aproximadamente 1,5 meses de uso continuo. Dicen que también podría ser alimentado por una célula voltaica sostenida por fluidos ácidos en el estómago. utilizando tecnología que Nadeau y Chandrakasan han desarrollado previamente.

"El enfoque de este trabajo está en el diseño y la integración del sistema para combinar el poder de la detección bacteriana con circuitos de energía ultrabaja para realizar importantes aplicaciones de detección de la salud, "Dice Chandrakasan.

Diagnóstico de enfermedad

Los investigadores probaron el sensor ingerible en cerdos y demostraron que podía determinar correctamente si había sangre en el estómago. Anticiparon que este tipo de sensor podría implementarse para un solo uso o diseñarse para permanecer en el tracto digestivo durante varios días o semanas. enviando señales continuas.

En la actualidad, si se sospecha que los pacientes sangran por una úlcera gástrica, tienen que someterse a una endoscopia para diagnosticar el problema, lo que a menudo requiere sedar al paciente.

"El objetivo de este sensor es que pueda eludir un procedimiento innecesario con solo ingerir la cápsula, y en un período de tiempo relativamente corto sabría si hubo o no un evento de hemorragia, "Dice Mimee.

Para ayudar a mover la tecnología hacia el uso del paciente, los investigadores planean reducir el tamaño del sensor y estudiar cuánto tiempo pueden sobrevivir las células bacterianas en el tracto digestivo. También esperan desarrollar sensores para afecciones gastrointestinales además del sangrado.

En el Ciencias papel, los investigadores adaptaron sensores descritos anteriormente para otras dos moléculas, que aún no han probado en animales. Uno de los sensores detecta un ion que contiene azufre llamado tiosulfato, que está relacionado con la inflamación y podría usarse para monitorear a pacientes con enfermedad de Crohn u otras afecciones inflamatorias. El otro detecta una molécula de señalización bacteriana llamada AHL, que puede servir como marcador de infecciones gastrointestinales porque diferentes tipos de bacterias producen versiones ligeramente diferentes de la molécula.

"La mayor parte del trabajo que hicimos en el periódico estaba relacionado con la sangre, pero posiblemente podrías diseñar bacterias para que sientan cualquier cosa y produzcan luz en respuesta a eso, "Dice Mimee." Cualquiera que esté intentando manipular bacterias para detectar una molécula relacionada con una enfermedad podría introducirla en uno de esos pozos, y estaría listo para funcionar ".

Los investigadores dicen que los sensores también podrían diseñarse para transportar múltiples cepas de bacterias, permitiéndoles diagnosticar una variedad de condiciones.

"Ahora, tenemos cuatro sitios de detección, pero si pudiera extenderlo a 16 o 256, entonces podría tener varios tipos diferentes de celdas y poder leerlas todas en paralelo, permitiendo un cribado de mayor rendimiento, "Dice Nadeau.