Javier Collado

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A.S. Los investigadores del MIT norteamericano han diseñado 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 leer un teléfono inteligente.

«Al combinar sensores biológicos de ingeniería junto con electrónica inalámbrica de baja potencia, podemos detectar señales biológicas en el cuerpo y casi en tiempo real, lo que permite nuevas capacidades de diagnóstico para aplicaciones de salud humana», ha indicado Timothy Lu, profesor asociado de ingeniería eléctrica del MIT. e informática y de ingeniería biológica.

En el nuevo estudio, publicado en la edición online 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 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 el Profesor Vannevar Bush de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, son los autores principales del estudio, participando el estudiante graduado Mark Mimee y el ex postdoc Phillip Nadeau del MIT.

Comunicación inalámbrica

En la última década, 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 resultados como la luz cuando detectan el estímulo objetivo, pero generalmente se requieren equipos de laboratorio especializados para medir esta respuesta.

Para que estas bacterias sean más útiles para las 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 empaquetar células bacterianas dentro de un dispositivo», dice Nadeau. «Las celdas quedarían atrapadas y acompañarán el viaje mientras el dispositivo pasa por el estómago».

Para su demostración inicial, los investigadores se centraron en la hemorragia 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 la bacteria en cuatro depósitos en un sensor diseñado a medida, cubierto por una membrana semipermeable que permite que las pequeñas moléculas del entorno se difundan a través de ellas. Debajo de cada depósito 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 construyeron 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 microvatios 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.

Dicen que también podría ser alimentado por una célula voltaica sostenida por fluidos ácidos en el estómago, usando la tecnología que Nadeau y Chandrakasan desarrollaron previamente.
«El objetivo de este trabajo es el diseño e integración del sistema para combinar la potencia de la detección bacteriana con circuitos de muy baja potencia para realizar importantes aplicaciones de detección de la salud», dice Chandrakasan.

Diagnosticar la enfermedad

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

Actualmente, si se sospecha que los pacientes están sangrando de 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 poder evitar un procedimiento innecesario con solo ingerir la cápsula, y en un período relativamente corto de tiempo se sabría si hubo o no una 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 que no sean hemorragias.

En el artículo de Science, los investigadores adaptaron sensores previamente descritos para otras dos moléculas, que aún no se 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 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 debido a que diferentes tipos de bacterias producen versiones ligeramente diferentes de la molécula. «La mayor parte del trabajo que hicimos en el documento estaba relacionado con la sangre, pero es concebible que se pueda 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 molécula relacionada con la enfermedad podría colocarla en uno de esos depósitos, y estaría lista para funcionar». Los investigadores dicen que los sensores también podrían diseñarse para transportar múltiples cepas de bacterias, permitiendo para diagnosticar una variedad de condiciones.

«En este momento, tenemos cuatro sitios de detección, pero si pudiera extenderlo a 16 o 256, podría tener múltiples tipos diferentes de células y ser capaz de leerlas todas en paralelo, lo que permitiría una mayor detección de alto rendimiento», Nadeau dice.

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 Ciencia, el Centro de Microbioma Informática y Terapéutica, el Hospital Brigham and Women’s, una Beca de Innovación de Qualcomm, y las Ciencias Naturales y Consejo de ingeniería de Canadá. La fabricación de chips fue proporcionada por el TSMC University Shuttle Program.