MIT-forskare har byggt en intagbar sensor utrustad med genetiskt modifierade bakterier som kan diagnostisera blödning i magen eller andra gastrointestinala problem.

Denna "bakterier-på-ett-chip"-metoden kombinerar sensorer gjorda av levande celler med ultralågeffektelektronik som omvandlar bakteriesvaret till en trådlös signal som kan läsas av en smartphone.

"Genom att kombinera konstruerade biologiska sensorer tillsammans med trådlös elektronik med låg effekt, vi kan upptäcka biologiska signaler i kroppen och i nästan realtid, möjliggör nya diagnostiska möjligheter för människors hälsotillämpningar, säger Timothy Lu, en MIT docent i elektroteknik och datavetenskap och i biologisk teknik.

I den nya studien, visas i onlineupplagan den 24 maj av Vetenskap , forskarna skapade sensorer som reagerar på hem, en komponent av blod, och visade att de arbetar i grisar. De designade också sensorer som kan svara på en molekyl som är en markör för inflammation.

Lu och Anantha Chandrakasan, dekanus för MIT:s School of Engineering och Vannevar Bush professor i elektroteknik och datavetenskap, är de främsta författarna till studien. Huvudförfattarna är doktoranden Mark Mimee och tidigare MIT postdoc Phillip Nadeau.

Trådlös kommunikation

Under det senaste decenniet, syntetiska biologer har gjort stora framsteg i att utveckla bakterier för att svara på stimuli som miljöföroreningar eller sjukdomsmarkörer. Dessa bakterier kan utformas för att producera utsignaler som ljus när de upptäcker målstimulansen, men specialiserad labbutrustning krävs vanligtvis för att mäta detta svar.

För att göra dessa bakterier mer användbara för verkliga tillämpningar, MIT-teamet bestämde sig för att kombinera dem med ett elektroniskt chip som kunde översätta bakteriesvaret till en trådlös signal.

"Vår idé var att paketera bakterieceller inuti en enhet, " Nadeau säger. "Cellerna skulle fångas och följa med på åkturen när enheten passerar genom magen."

För deras första demonstration, forskarna fokuserade på blödningar i mag-tarmkanalen. De konstruerade en probiotisk stam av E. coli för att uttrycka en genetisk krets som får bakterierna att avge ljus när de stöter på hem.

De placerade bakterierna i fyra brunnar på sin specialdesignade sensor, täckt av ett semipermeabelt membran som tillåter små molekyler från den omgivande miljön att diffundera igenom. Under varje brunn finns en fototransistor som kan mäta mängden ljus som produceras av bakteriecellerna och vidarebefordra informationen till en mikroprocessor som skickar en trådlös signal till en närliggande dator eller smartphone. Forskarna byggde också en Android-app som kan användas för att analysera data.

Sensorn, som är en cylinder som är cirka 1,5 tum lång, kräver cirka 13 mikrowatt effekt. Forskarna utrustade sensorn med ett 2,7-volts batteri, vilket de uppskattar kan driva enheten under cirka 1,5 månaders kontinuerlig användning. De säger att den också kan drivas av en voltaisk cell som upprätthålls av sura vätskor i magen, med hjälp av teknik som Nadeau och Chandrakasan tidigare har utvecklat.

"Fokus för detta arbete ligger på systemdesign och integration för att kombinera kraften hos bakteriell avkänning med ultralågeffektkretsar för att realisera viktiga hälsoavkänningsapplikationer, " säger Chandrakasan.

Diagnostisera sjukdom

Forskarna testade den intagbara sensorn hos grisar och visade att den korrekt kunde avgöra om något blod fanns i magen. De räknar med att den här typen av sensorer antingen kan användas för engångsanvändning eller utformas för att förbli matsmältningskanalen i flera dagar eller veckor, skickar kontinuerliga signaler.

För närvarande, om patienter misstänks blöda från ett magsår, de måste genomgå en endoskopi för att diagnostisera problemet, vilket ofta kräver att patienten sövs.

"Målet med den här sensorn är att du skulle kunna kringgå en onödig procedur genom att bara inta kapseln, och inom en relativt kort tidsperiod skulle du veta om det fanns en blödningshändelse eller inte, " säger Mimee.

För att hjälpa till att flytta tekniken mot patientanvändning, forskarna planerar att minska storleken på sensorn och att studera hur länge bakteriecellerna kan överleva i matsmältningskanalen. De hoppas också kunna utveckla sensorer för andra gastrointestinala tillstånd än blödning.

I den Vetenskap papper, forskarna anpassade tidigare beskrivna sensorer för två andra molekyler, som de ännu inte har testat på djur. En av sensorerna detekterar en svavelhaltig jon som kallas tiosulfat, som är kopplat till inflammation och kan användas för att övervaka patienter med Crohns sjukdom eller andra inflammatoriska tillstånd. Den andra upptäcker en bakteriell signalmolekyl som kallas AHL, som kan fungera som en markör för gastrointestinala infektioner eftersom olika typer av bakterier producerar lite olika versioner av molekylen.

"Det mesta av arbetet vi gjorde i tidningen var relaterat till blod, men tänkbart kan du konstruera bakterier för att känna av vad som helst och producera ljus som svar på det, " säger Mimee. "Vem som helst som försöker konstruera bakterier för att känna av en molekyl som är relaterad till sjukdom kan placera den i en av dessa brunnar, och den skulle vara redo att gå."

Forskarna säger att sensorerna också kan utformas för att bära flera stammar av bakterier, så att de kan diagnostisera en mängd olika tillstånd.

"Just nu, vi har fyra detekteringsplatser, men om du kunde utöka det till 16 eller 256, då kan du ha flera olika typer av celler och kunna läsa ut dem alla parallellt, möjliggör mer screening med hög genomströmning, säger Nadeau.