Indtagelige bakterier på en chip kan hjælpe med at diagnosticere sygdom

MIT-forskere har bygget en indtagelig sensor udstyret med gensplejsede bakterier, der kan diagnosticere blødninger i maven eller andre mave-tarmproblemer.

Denne "bakterier-på-en-chip"-tilgang kombinerer sensorer lavet af levende celler med ultra-lav-effekt elektronik, der konverterer den bakterielle reaktion til et trådløst signal, der kan læses af en smartphone.

"Ved at kombinere konstruerede biologiske sensorer sammen med laveffekt trådløs elektronik, vi kan detektere biologiske signaler i kroppen og i næsten realtid, muliggør nye diagnostiske muligheder for menneskers sundhedsapplikationer, " siger Timothy Lu, en MIT-lektor i elektroteknik og datalogi og i biologisk teknik.

I den nye undersøgelse, vises i 24. maj online-udgaven af Videnskab , forskerne skabte sensorer, der reagerer på hæm, en komponent af blod, og viste, at de arbejder i svin. De har også designet sensorer, der kan reagere på et molekyle, der er en markør for inflammation.

Lu og Anantha Chandrakasan, dekan for MIT's School of Engineering og Vannevar Bush professor i elektroteknik og datalogi, er de ledende forfattere af undersøgelsen. Hovedforfatterne er kandidatstuderende Mark Mimee og tidligere MIT postdoc Phillip Nadeau.

Trådløs kommunikation

I det seneste årti, syntetiske biologer har gjort store fremskridt med at udvikle bakterier til at reagere på stimuli såsom miljøforurenende stoffer eller sygdomsmarkører. Disse bakterier kan designes til at producere output såsom lys, når de registrerer målstimulus, men der kræves normalt specialiseret laboratorieudstyr til at måle denne respons.

For at gøre disse bakterier mere nyttige til virkelige applikationer, MIT-teamet besluttede at kombinere dem med en elektronisk chip, der kunne oversætte den bakterielle reaktion til et trådløst signal.

"Vores idé var at pakke bakterieceller inde i en enhed, " siger Nadeau. "Cellerne ville blive fanget og tage med på turen, mens enheden passerer gennem maven."

Til deres første demonstration, forskerne fokuserede på blødning i mave-tarmkanalen. De konstruerede en probiotisk stamme af E. coli til at udtrykke et genetisk kredsløb, der får bakterierne til at udsende lys, når de støder på hæm.

De placerede bakterierne i fire brønde på deres specialdesignede sensor, dækket af en semipermeabel membran, der tillader små molekyler fra det omgivende miljø at diffundere igennem. Under hver brønd er en fototransistor, der kan måle mængden af ​​lys produceret af bakteriecellerne og videresende informationen til en mikroprocessor, der sender et trådløst signal til en nærliggende computer eller smartphone. Forskerne byggede også en Android-app, der kan bruges til at analysere dataene.

Sensoren, som er en cylinder omkring 1,5 tommer lang, kræver omkring 13 mikrowatt strøm. Forskerne udstyrede sensoren med et 2,7 volt batteri, som de vurderer, kan drive enheden i omkring 1,5 måneders kontinuerlig brug. De siger, at den også kan drives af en voltaisk celle, der holdes op af sure væsker i maven, ved hjælp af teknologi, som Nadeau og Chandrakasan tidligere har udviklet.

"Fokus for dette arbejde er på systemdesign og integration for at kombinere kraften ved bakteriel sensing med ultra-lav-effekt kredsløb for at realisere vigtige sundhedssensing-applikationer, " siger Chandrakasan.

Diagnosticering af sygdom

Forskerne testede den indtagelige sensor hos grise og viste, at den korrekt kunne afgøre, om der var blod i maven. De forventer, at denne type sensor enten kan anvendes til engangsbrug eller designet til at forblive i fordøjelseskanalen i flere dage eller uger, sender kontinuerlige signaler.

I øjeblikket, hvis patienter mistænkes for at bløde fra et mavesår, de skal gennemgå en endoskopi for at diagnosticere problemet, hvilket ofte kræver, at patienten bliver bedøvet.

"Målet med denne sensor er, at du ville være i stand til at omgå en unødvendig procedure ved blot at indtage kapslen, og inden for en relativt kort periode ville du vide, om der var en blødningshændelse eller ej, " siger Mimee.

For at hjælpe med at flytte teknologien mod patientbrug, forskerne planlægger at reducere størrelsen af ​​sensoren og at undersøge, hvor længe bakteriecellerne kan overleve i fordøjelseskanalen. De håber også at udvikle sensorer til andre gastrointestinale tilstande end blødning.

I den Videnskab papir, forskerne tilpassede tidligere beskrevne sensorer til to andre molekyler, som de endnu ikke har testet på dyr. En af sensorerne registrerer en svovlholdig ion kaldet thiosulfat, som er forbundet med inflammation og kan bruges til at overvåge patienter med Crohns sygdom eller andre betændelsestilstande. Den anden registrerer et bakterielt signalmolekyle kaldet AHL, som kan tjene som markør for mave-tarminfektioner, fordi forskellige typer bakterier producerer lidt forskellige versioner af molekylet.

"Det meste af det arbejde, vi lavede i avisen, var relateret til blod, men det kunne tænkes, at du kunne konstruere bakterier til at føle hvad som helst og producere lys som reaktion på det, " siger Mimee. "Enhver, der forsøger at konstruere bakterier til at fornemme et molekyle relateret til sygdom, kunne sætte det ind i en af ​​de brønde, og den ville være klar til at gå."

Forskerne siger, at sensorerne også kan være designet til at bære flere bakteriestammer, giver dem mulighed for at diagnosticere en række forskellige tilstande.

"Lige nu, vi har fire detektionssteder, men hvis du kunne udvide det til 16 eller 256, så kunne du have flere forskellige typer celler og være i stand til at læse dem alle ud parallelt, muliggør mere high-throughput screening, " siger Nadeau.