I ricercatori del MIT hanno costruito un sensore ingeribile dotato di batteri geneticamente modificati in grado di diagnosticare sanguinamento nello stomaco o altri problemi gastrointestinali.

Questo approccio "batteria su chip" combina sensori realizzati da cellule viventi con un'elettronica a bassissima potenza che converte la risposta batterica in un segnale wireless che può essere letto da uno smartphone.

"Combinando sensori biologici ingegnerizzati con elettronica wireless a bassa potenza, possiamo rilevare segnali biologici nel corpo e quasi in tempo reale, abilitare nuove capacità diagnostiche per le applicazioni per la salute umana, "dice Timothy Lu, un professore associato del MIT di ingegneria elettrica e informatica e di ingegneria biologica.

Nel nuovo studio, che appare nell'edizione online del 24 maggio di Scienza , i ricercatori hanno creato sensori che rispondono all'eme, un componente del sangue, e ha mostrato che lavorano nei maiali. Hanno anche progettato sensori in grado di rispondere a una molecola che è un marker di infiammazione.

Lu e Anantha Chandrakasan, decano della School of Engineering del MIT e Vannevar Bush Professor of Electrical Engineering and Computer Science, sono gli autori senior dello studio. Gli autori principali sono lo studente laureato Mark Mimee e l'ex postdoc del MIT Phillip Nadeau.

Comunicazone wireless

Nell'ultimo decennio, i biologi sintetici hanno fatto grandi passi avanti nell'ingegneria dei batteri per rispondere a stimoli come inquinanti ambientali o marcatori di malattie. Questi batteri possono essere progettati per produrre output come la luce quando rilevano lo stimolo target, ma di solito sono necessarie attrezzature di laboratorio specializzate per misurare questa risposta.

Per rendere questi batteri più utili per le applicazioni del mondo reale, il team del MIT ha deciso di combinarli con un chip elettronico in grado di tradurre la risposta batterica in un segnale wireless.

"La nostra idea era di confezionare cellule batteriche all'interno di un dispositivo, " Nadeau dice. "Le cellule sarebbero intrappolate e andrebbero avanti per il viaggio mentre il dispositivo passa attraverso lo stomaco".

Per la loro prima dimostrazione, i ricercatori si sono concentrati sul sanguinamento nel tratto gastrointestinale. Hanno progettato un ceppo probiotico di E. coli per esprimere un circuito genetico che fa sì che i batteri emettano luce quando incontrano l'eme.

Hanno posizionato i batteri in quattro pozzetti sul loro sensore progettato su misura, ricoperto da una membrana semipermeabile che permette la diffusione di piccole molecole provenienti dall'ambiente circostante. Sotto ogni pozzetto c'è un fototransistor in grado di misurare la quantità di luce prodotta dalle cellule batteriche e trasmettere le informazioni a un microprocessore che invia un segnale wireless a un computer o smartphone nelle vicinanze. I ricercatori hanno anche creato un'app Android che può essere utilizzata per analizzare i dati.

Il sensore, che è un cilindro lungo circa 1,5 pollici, richiede circa 13 microwatt di potenza. I ricercatori hanno dotato il sensore di una batteria da 2,7 volt, che stimano potrebbe alimentare il dispositivo per circa 1,5 mesi di uso continuo. Dicono che potrebbe anche essere alimentato da una cella voltaica sostenuta da fluidi acidi nello stomaco, utilizzando la tecnologia che Nadeau e Chandrakasan hanno precedentemente sviluppato.

"Il focus di questo lavoro è sulla progettazione e l'integrazione del sistema per combinare la potenza del rilevamento batterico con circuiti a bassissima potenza per realizzare importanti applicazioni di rilevamento della salute, " dice Chandrakasan.

Diagnosi di malattia

I ricercatori hanno testato il sensore ingeribile nei maiali e hanno dimostrato che potrebbe determinare correttamente se fosse presente sangue nello stomaco. Anticipano che questo tipo di sensore potrebbe essere utilizzato per un uso una tantum o progettato per rimanere nel tratto digestivo per diversi giorni o settimane, inviare segnali continui.

Attualmente, se si sospetta che i pazienti sanguinino da un'ulcera gastrica, devono sottoporsi a un'endoscopia per diagnosticare il problema, che spesso richiede la sedazione del paziente.

"L'obiettivo con questo sensore è che tu possa eludere una procedura non necessaria semplicemente ingerendo la capsula, e in un periodo di tempo relativamente breve sapresti se si è verificato o meno un evento di sanguinamento, "dice Mimo.

Per aiutare a spostare la tecnologia verso l'uso da parte dei pazienti, i ricercatori hanno in programma di ridurre le dimensioni del sensore e di studiare per quanto tempo le cellule batteriche possono sopravvivere nel tratto digestivo. Sperano anche di sviluppare sensori per condizioni gastrointestinali diverse dal sanguinamento.

Nel Scienza carta, i ricercatori hanno adattato i sensori precedentemente descritti per altre due molecole, che non hanno ancora testato sugli animali. Uno dei sensori rileva uno ione contenente zolfo chiamato tiosolfato, che è collegato all'infiammazione e potrebbe essere utilizzato per monitorare i pazienti con malattia di Crohn o altre condizioni infiammatorie. L'altro rileva una molecola di segnalazione batterica chiamata AHL, che può fungere da marker per le infezioni gastrointestinali perché diversi tipi di batteri producono versioni leggermente diverse della molecola.

"La maggior parte del lavoro che abbiamo svolto sul giornale riguardava il sangue, ma plausibilmente potresti ingegnerizzare i batteri per percepire qualsiasi cosa e produrre luce in risposta a ciò, " dice Mimee. "Chiunque stia cercando di ingegnerizzare i batteri per percepire una molecola correlata alla malattia potrebbe inserirla in uno di quei pozzi, e sarebbe pronto per partire".

I ricercatori affermano che i sensori potrebbero anche essere progettati per trasportare più ceppi di batteri, permettendo loro di diagnosticare una varietà di condizioni.

"Proprio adesso, abbiamo quattro siti di rilevamento, ma se potessi estenderlo a 16 o 256, quindi potresti avere più tipi diversi di celle ed essere in grado di leggerli tutti in parallelo, consentendo uno screening più elevato, "dice Nadeau.