“Bacterias en un chip” para ingerir podrían ayudar a diagnosticar enfermedades

Al combinar sensores biológicos de ingeniería junto con electrónica inalámbrica de baja potencia se pueden detectar señales biológicas en el cuerpo

El Médico Interactivo | 4 - junio - 2018 1:52 pm

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos, han construido un sensor para ingerir 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”, dice Timothy Lu, profesor asociado de Ingeniería Eléctrica e Informática y de Ingeniería Biológica del MIT.

En el nuevo estudio, que aparece en la edición digital de este jueves 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 profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, son los autores principales del estudio. Otros miembros del equipo son el estudiante graduado Mark Mimee y 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 células 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 y 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 huecos en su 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 hueco 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 un ordenador o un teléfono inteligente cercano. Los científicos 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 (38 milímetros) 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 y la 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”, afirma Chandrakasan.

Diagnosticar la enfermedad

Los investigadores probaron el sensor que se ingiere 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 diseñarse 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 que podrías eludir un procedimiento innecesario con solo ingerir la cápsula, y en un periodo relativamente corto de tiempo sabrías si hubo o no un evento hemorrágico”, 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 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 un marcador de infecciones gastrointestinales porque los diferentes tipos de bacterias producen versiones ligeramente diferentes de la molécula.