Investigadores del MIT han creado un sensor ingerible equipado con bacterias modificadas genéticamente que puede diagnosticar hemorragias estomacales u otros problemas gastrointestinales.
Este enfoque de «bacterias en un chip» combina sensores hechos de células vivas con electrónica de consumo ultrabajo que convierte la respuesta bacteriana en una señal inalámbrica que puede leerse con un smartphone.
«Al combinar sensores biológicos modificados mediante ingeniería con electrónica inalámbrica de bajo consumo, podemos detectar señales biológicas en el cuerpo casi en tiempo real, lo que permite nuevas capacidades de diagnóstico para aplicaciones relacionadas con la salud humana», afirma Timothy Lu, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, y de ingeniería biológica, en el MIT.
En el nuevo estudio, publicado en la edición en línea del 24 de mayo de Science, los investigadores crearon sensores que responden al hemo, un componente de la sangre, y demostraron que funcionan en cerdos. También diseñaron sensores capaces de responder a una molécula que es un marcador de inflamación.
Lu y Anantha Chandrakasan, decano de la Facultad de Ingeniería del MIT y titular de la cátedra Vannevar Bush de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, son los autores principales del estudio. Los autores principales son Mark Mimee, estudiante de posgrado, y Phillip Nadeau, antiguo investigador posdoctoral del MIT.
Comunicación inalámbrica
En la última década, los biólogos sintéticos han logrado grandes avances en la modificación de bacterias para que respondan a estímulos como contaminantes ambientales o marcadores de enfermedades. Estas bacterias pueden diseñarse para producir señales, como luz, cuando detectan el estímulo objetivo, pero normalmente se necesita equipo de laboratorio especializado para medir esta respuesta.
Para que estas bacterias fueran más útiles en aplicaciones del mundo real, el equipo del MIT decidió combinarlas con un chip electrónico que pudiera traducir la respuesta bacteriana en una señal inalámbrica.
«Nuestra idea era encapsular células bacterianas dentro de un dispositivo», dice Nadeau. «Las células quedarían atrapadas y viajarían con el dispositivo a medida que este pasa por el estómago».
Para su demostración inicial, los investigadores se centraron en las hemorragias del tracto gastrointestinal. Modificaron una cepa probiótica de E. coli para que expresara un circuito genético que hace que las bacterias emitan luz al encontrarse con hemo.
Colocaron las bacterias en cuatro pocillos del sensor diseñado a medida, cubiertos por una membrana semipermeable que permite la difusión de moléculas pequeñas del entorno. Debajo de cada pocillo hay un fototransistor que mide la cantidad de luz producida por las células bacterianas y transmite la información a un microprocesador, que envía una señal inalámbrica a una computadora o un smartphone cercanos. Los investigadores también crearon una aplicación para Android que permite analizar los datos.
El sensor, un cilindro de unos 1,5 pulgadas de largo, requiere unos 13 microwatios de potencia. Los investigadores lo equiparon con una batería de 2,7 voltios, que, según sus cálculos, podría alimentar el dispositivo durante aproximadamente 1,5 meses de uso continuo. También señalan que podría alimentarse con una celda voltaica sostenida por los fluidos ácidos del estómago, mediante una tecnología que Nadeau y Chandrakasan han desarrollado anteriormente.
«El foco de este trabajo está en el diseño y la integración de sistemas para combinar la capacidad de detección de las bacterias con circuitos de consumo ultrabajo y hacer realidad importantes aplicaciones de detección relacionadas con la salud», afirma Chandrakasan.
Diagnóstico de enfermedades
Los investigadores probaron el sensor ingerible en cerdos y demostraron que podía determinar correctamente si había sangre en el estómago. Prevén que este tipo de sensor pueda utilizarse una sola vez o diseñarse para permanecer en el tracto digestivo durante varios días o semanas, enviando señales continuas.
Actualmente, si se sospecha que los pacientes tienen una hemorragia causada por una úlcera gástrica, deben someterse a una endoscopia para diagnosticar el problema, procedimiento que a menudo requiere sedación.
«El objetivo de este sensor es que se pueda evitar un procedimiento innecesario con solo ingerir la cápsula y, en un plazo relativamente breve, saber si se ha producido una hemorragia», dice Mimee.
Para acercar la tecnología a su uso en pacientes, 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 distintas de las hemorragias.
En el artículo de Science, los investigadores adaptaron sensores descritos anteriormente para detectar otras dos moléculas, que todavía no han probado en animales. Uno de los sensores detecta un ion que contiene azufre llamado tiosulfato, relacionado con la inflamación y que podría utilizarse para vigilar 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 distintos tipos de bacterias producen variantes ligeramente diferentes de la molécula.
«La mayor parte del trabajo que hicimos para el artículo estaba relacionado con la sangre, pero en principio se podrían modificar bacterias para que detecten cualquier cosa y produzcan luz en respuesta», afirma Mimee. «Quien intente modificar bacterias para que detecten una molécula relacionada con una enfermedad podría incorporarlas a uno de esos pocillos y estarían listas para usarse».
Los investigadores afirman que los sensores también podrían diseñarse para albergar varias cepas de bacterias, lo que les permitiría diagnosticar diversas afecciones.
«Ahora mismo tenemos cuatro sitios de detección, pero, si se ampliaran a 16 o 256, se podrían incluir varios tipos distintos de células y obtener sus lecturas en paralelo, lo que permitiría realizar pruebas de alto rendimiento», dice Nadeau.
La investigación fue financiada por Texas Instruments, el Fondo de Innovación y Tecnología de Hong Kong, la Oficina de Investigación Naval, la Fundación Nacional de Ciencias, el Centro de Informática y Terapéutica del Microbioma, el Brigham and Women’s Hospital, una beca Qualcomm Innovation Fellowship y el Consejo de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá. La fabricación del chip estuvo a cargo del Programa University Shuttle de TSMC.
