I ricercatori del MIT hanno sviluppato un sensore ingeribile in grado di rilevare sanguinamento dello stomaco o altri problemi gastrointestinali e inoltrare le informazioni a uno smartphone nelle vicinanze.

Lavorare nel campo di biologia sintetica, i ricercatori hanno infuso un sensore elettronico con batteri geneticamente modificati in grado di emettere luce in risposta al sangue e trasmettere le informazioni tramite la trasmissione wireless.

Secondo loro, questo dispositivo potrebbe fornire un'alternativa alle procedure invasive o non necessarie attualmente utilizzate per rilevare il sanguinamento dello stomaco o altri disturbi gastrointestinali.

Lo studio è apparso nell'edizione online della rivista Scienze.

Ingegneria batterica su chip

Nell'ultimo decennio, i ricercatori hanno ingegnerizzato con successo i batteri per rispondere a stimoli quali inquinanti ambientali o marcatori di malattie.

Attraverso questo processo di ingegneria genetica, i batteri possono essere progettati per produrre vari segnali, come l'emissione di luce, quando viene rilevato uno stimolo bersaglio. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, sono necessarie attrezzature di laboratorio specializzate per misurare queste risposte.

Ora, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un modo per rendere il processo più utile per le applicazioni del mondo reale, combinando i batteri con un chip elettronico.

Lo studio

Nel loro studio iniziale, i ricercatori si sono concentrati sul sanguinamento nel tratto gastrointestinale dei maiali.

Per fare questo, hanno ingegnerizzato geneticamente un ceppo probiotico di E. coli che può emettere luce in risposta a un componente del sangue chiamato Heme.

"Modificando il DNA di un batterio, possiamo programmarlo per svolgere una nuova funzione, come produrre luce in risposta a uno stimolo bersaglio. In questo caso, abbiamo trovato geni provenienti da diversi ceppi di batteri che potrebbero svolgere le funzioni necessarie: importare l'analita nella cellula, alterare l'espressione genica in risposta all'analita e codificare gli enzimi che possono produrre luce ", ha detto Mark Mimee, uno studente del MIT Dottorato in Microbiologia Programma e co-autore principale dello studio. "Combinando questi elementi genetici e mettendo a punto i loro livelli di espressione, abbiamo creato un ceppo che può percepire il sangue nel tratto gastrointestinale".

Per costruire il sensore, i ricercatori hanno collocato i batteri in quattro pozzetti e lo hanno ricoperto con una membrana semipermeabile che consente a piccole molecole dall'ambiente di diffondersi.

Sotto ciascun pozzetto c'è un fototransistor in grado di misurare la quantità di luce emessa dalle celle batteriche e quindi trasmettere l'informazione a un microprocessore che invia un segnale wireless a un computer o smartphone nelle vicinanze.

I ricercatori hanno anche creato un'app per Android che può essere utilizzata per analizzare i dati.

"La nostra idea era quella di confezionare celle batteriche all'interno di un dispositivo" Phillip Nadeau, ex collega postdottorato del MIT e co-autore principale dello studio, ha detto in una dichiarazione. "Le cellule resterebbero intrappolate e andranno avanti mentre il dispositivo passa attraverso lo stomaco".

Le scoperte

Finora, il sensore ha avuto successo nel determinare se sia presente sangue nello stomaco dei suini.

"Quello che abbiamo dimostrato è che possiamo togliere questa tecnologia dal banco di laboratorio ed eseguire il sensing all'interno del corpo stesso, con la lettura wireless di un telefono", ha detto Nadeau. "Questo ci avvicina di un passo alla traduzione clinica mostrando che i sensori viventi basati su cellule possono essere confezionati come capsule ingeribili ed eseguire il rilevamento all'interno dello stomaco".

I ricercatori ritengono che questo tipo di sensore potrebbe essere utilizzato sia per un uso singolo o progettato per rimanere nel tratto digestivo per diversi giorni o settimane, inviando segnali continui.

Inoltre, i ricercatori hanno adattato i sensori per altre due molecole, che non sono ancora state testate sugli animali.

Uno di questi sensori rileva uno ione contenente zolfo chiamato tiosolfato, che potrebbe essere utilizzato per monitorare condizioni infiammatorie, tra cui il morbo di Crohn.

L'altro rileva una molecola di segnalazione batterica chiamata AHL, che può fungere da marker per le infezioni gastrointestinali.

I ricercatori ritengono che i sensori potrebbero essere progettati per trattare una varietà di condizioni.

"Gran parte del lavoro che abbiamo svolto si è concentrato sul rilevamento del sangue nella cavità gastrica del maiale. Tuttavia, riteniamo che l'estensione della gamma di biosensori ad altre malattie gastrointestinali, come la malattia infiammatoria intestinale, l'infezione o il cancro possa spingere la sua futura utilità clinica ", ha detto Mimee

Il prossimo passo  

Il sensore ha una lunghezza di circa 1.5 pollici e richiede circa 13 microwatt di potenza. È dotato di una batteria volt 2.7, che si stima alimenta il dispositivo per circa 1.5 mesi di uso continuo.

Per le applicazioni umane, tuttavia, i ricercatori devono ridurre le sue dimensioni per minimizzare le complicazioni.

"La sicurezza del dispositivo è in realtà circa le dimensioni della capsula e la sicurezza dei materiali di imballaggio utilizzati per isolare l'elettronica", ha detto Nadeau. "Simile a quello che hanno fatto altri produttori di" Smart Pills "contenenti l'elettronica, ci aspettiamo di confermare che la nostra capsula sarà sicura per l'ingestione negli esseri umani."

Sebbene lo studio sia ancora in fase preliminare, i ricercatori sono fiduciosi delle sue applicazioni future.

"Al momento, siamo ancora nella fase di prototipo. Con un paio di anni in più di sviluppo ampliando la gamma di biosensori disponibili e riducendo le dimensioni della capsula, saremmo entusiasti di avviare prove di sicurezza sugli esseri umani ", ha affermato Mimee.

In definitiva, i ricercatori ritengono che i sensori rappresenteranno un'alternativa sicura alle attuali procedure. Ad esempio, un paziente sospettato di sanguinamento dello stomaco non dovrebbe sottoporsi a un'endoscopia, una procedura che spesso richiede la sedazione.

"L'obiettivo di questo sensore è che si riuscirebbe ad aggirare una procedura inutile semplicemente ingerendo la capsula, e in un periodo di tempo relativamente breve si saprebbe se c'era o meno un evento di sanguinamento", ha detto Mimee in una nota.