Los investigadores del MIT han construido un sensor ingerible equipado con bacterias genéticamente modificadas que pueden diagnosticar el sangrado en el estómago u otros problemas gastrointestinales.
Este enfoque de "bacteria en un chip" combina sensores hechos de células vivas con dispositivos electrónicos de potencia ultra baja que convierten la respuesta bacteriana en una señal inalámbrica que puede leer un teléfono inteligente.
"Al combinar sensores biológicos diseñados con electrónica inalámbrica de baja potencia, podemos detectar señales biológicas en el cuerpo y casi en tiempo real, permitiendo nuevas capacidades de diagnóstico para aplicaciones de salud humana", dice Timothy Lu, profesor asociado de MITingeniería eléctrica e informática y de ingeniería biológica.
En el nuevo estudio, que aparece en la edición en línea del 24 de mayo de ciencia , los investigadores crearon sensores que responden al hemo, un componente de la sangre, y demostraron 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 Facultad de Ingeniería del MIT y profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación de Vannevar Bush, 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 década, los biólogos sintéticos han hecho grandes avances en la ingeniería de bacterias para responder a estímulos tales como contaminantes ambientales o marcadores de enfermedades. Estas bacterias pueden diseñarse para producir productos como la luz cuando detectan el estímulo objetivo, pero un laboratorio especializadogeneralmente se requiere equipo para medir esta respuesta.
Para hacer que estas bacterias sean más útiles para aplicaciones del mundo real, el equipo del MIT decidió combinarlas 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 a medida que el dispositivo pasa 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 encuentran hemo.
Colocaron la bacteria en cuatro pozos en su sensor diseñado a medida, cubierto por una membrana semipermeable que permite que las pequeñas moléculas del ambiente circundante se difundan. Debajo de cada pozo hay un fototransistor que puede medir la cantidad de luz producida por la bacteriacélulas y transmiten 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 aproximadamente 13 microwatts de potencia. Los investigadores equiparon el sensor con una batería de 2.7 voltios, que estiman podría alimentar el dispositivo durante aproximadamente 1.5 meses de uso continuo. DicenTambién 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 ultra baja potencia para realizar aplicaciones importantes de detección de 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. Anticipan que este tipo de sensor podría desplegarse para un solo uso o diseñarse para permanecer en el tracto digestivo durantevarios días o semanas, enviando señales continuas
Actualmente, si se sospecha que los pacientes están sangrando por una úlcera gástrica, deben someterse a una endoscopia para diagnosticar el problema, que a menudo requiere que el paciente esté sedado.
"El objetivo con este sensor es que podrías evitar un procedimiento innecesario con solo ingerir la cápsula, y en un período de tiempo relativamente corto sabrías si hubo un evento de sangrado", 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 ciencia papel, los investigadores adaptaron los 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 controlar a los pacientes conEnfermedad de Crohn u otras afecciones inflamatorias. La otra detecta una molécula de señalización bacteriana llamada AHL, que puede servir como marcador de infecciones gastrointestinales porque los diferentes tipos de bacterias producen versiones ligeramente diferentes de la molécula.
"La mayor parte del trabajo que hicimos en el trabajo estaba relacionado con la sangre, pero posiblemente se podría diseñar bacterias para detectar cualquier cosa y producir luz en respuesta a eso", dice Mimee. "Cualquiera que esté tratando de diseñar bacterias para detectar una molécularelacionado con la enfermedad podría colocarlo 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, lo que les permite diagnosticar una variedad de afecciones.
"En este momento, tenemos cuatro sitios de detección, pero si pudiera extenderlo a 16 o 256, podría tener múltiples tipos diferentes de celdas y poder leerlas todas en paralelo, permitiendo una mayor detección de alto rendimiento,"Dice Nadeau.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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