Os pesquisadores do MIT construíram um sensor ingerível equipado com bactérias geneticamente modificadas que podem diagnosticar sangramento no estômago ou outros problemas gastrointestinais.

Esta abordagem "bactéria em um chip" combina sensores feitos de células vivas com eletrônicos de ultra-baixa potência que convertem a resposta bacteriana em um sinal sem fio que pode ser lido por um smartphone.

"Combinando sensores biológicos projetados com eletrônica sem fio de baixa potência, podemos detectar sinais biológicos no corpo e quase em tempo real, permitindo novos recursos de diagnóstico para aplicações de saúde humana, "diz Timothy Lu, professor associado do MIT de engenharia elétrica e ciência da computação e de engenharia biológica.

No novo estudo, aparecendo na edição online de 24 de maio de Ciência , os pesquisadores criaram sensores que respondem ao heme, um componente do sangue, e mostrou que trabalham em porcos. Eles também projetaram sensores que podem responder a uma molécula que é um marcador de inflamação.

Lu e Anantha Chandrakasan, reitor da Escola de Engenharia do MIT e Professor de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação Vannevar Bush, são os autores seniores do estudo. Os autores principais são o estudante Mark Mimee e o ex-pós-doutorando do MIT Phillip Nadeau.

Comunicação sem fio

Na década passada, biólogos sintéticos fizeram grandes avanços na engenharia de bactérias para responder a estímulos como poluentes ambientais ou marcadores de doenças. Essas bactérias podem ser projetadas para produzir saídas, como luz, quando detectam o estímulo alvo, mas geralmente é necessário equipamento de laboratório especializado para medir essa resposta.

Para tornar essas bactérias mais úteis para aplicações do mundo real, a equipe do MIT decidiu combiná-los com um chip eletrônico que pudesse traduzir a resposta bacteriana em um sinal sem fio.

"Nossa ideia era empacotar células bacterianas dentro de um dispositivo, "Nadeau diz." As células ficariam presas e seguiriam em frente enquanto o dispositivo passasse pelo estômago. "

Para sua demonstração inicial, os pesquisadores se concentraram no sangramento no trato gastrointestinal. Eles desenvolveram uma cepa probiótica de E. coli para expressar um circuito genético que faz com que as bactérias emitam luz quando encontram o heme.

Eles colocaram as bactérias em quatro poços em seu sensor de design personalizado, coberto por uma membrana semipermeável que permite que pequenas moléculas do ambiente circundante se difundam. Embaixo de cada poço está um fototransistor que pode medir a quantidade de luz produzida pelas células bacterianas e retransmitir as informações para um microprocessador que envia um sinal sem fio para um computador ou smartphone próximo. Os pesquisadores também construíram um aplicativo Android que pode ser usado para analisar os dados.

O sensor, que é um cilindro de cerca de 1,5 polegadas de comprimento, requer cerca de 13 microwatts de potência. Os pesquisadores equiparam o sensor com uma bateria de 2,7 volts, que eles estimam pode alimentar o dispositivo por cerca de 1,5 meses de uso contínuo. Eles dizem que também pode ser alimentado por uma célula voltaica sustentada por fluidos ácidos no estômago, usando tecnologia que Nadeau e Chandrakasan desenvolveram anteriormente.

"O foco deste trabalho está no projeto e integração do sistema para combinar o poder de detecção de bactérias com circuitos de ultra-baixa potência para realizar aplicações de detecção de saúde importantes, "Chandrakasan diz.

Diagnosticando doença

Os pesquisadores testaram o sensor ingerível em porcos e mostraram que ele poderia determinar corretamente se algum sangue estava presente no estômago. Eles prevêem que este tipo de sensor pode ser implantado para uso único ou projetado para permanecer no trato digestivo por vários dias ou semanas, enviando sinais contínuos.

Atualmente, se houver suspeita de sangramento de pacientes com úlcera gástrica, eles têm que passar por uma endoscopia para diagnosticar o problema, o que muitas vezes requer que o paciente seja sedado.

"O objetivo com este sensor é que você seja capaz de contornar um procedimento desnecessário apenas ingerindo a cápsula, e dentro de um período relativamente curto de tempo você saberia se houve ou não um evento hemorrágico, "Diz Mimee.

Para ajudar a mover a tecnologia para uso pelo paciente, os pesquisadores planejam reduzir o tamanho do sensor e estudar por quanto tempo as células da bactéria podem sobreviver no trato digestivo. Eles também esperam desenvolver sensores para outras condições gastrointestinais além de sangramento.

No Ciência papel, os pesquisadores adaptaram sensores descritos anteriormente para duas outras moléculas, que eles ainda não testaram em animais. Um dos sensores detecta um íon contendo enxofre chamado tiossulfato, que está ligada à inflamação e pode ser usada para monitorar pacientes com doença de Crohn ou outras condições inflamatórias. O outro detecta uma molécula sinalizadora bacteriana chamada AHL, que pode servir como um marcador para infecções gastrointestinais porque diferentes tipos de bactérias produzem versões ligeiramente diferentes da molécula.

"A maior parte do trabalho que fizemos no jornal estava relacionado com sangue, mas é concebível que você possa criar bactérias para sentir qualquer coisa e produzir luz em resposta a isso, "Mimee diz." Qualquer um que esteja tentando criar bactérias para detectar uma molécula relacionada a uma doença pode inseri-la em um desses poços, e estaria pronto para funcionar. "

Os pesquisadores dizem que os sensores também podem ser projetados para transportar várias cepas de bactérias, permitindo-lhes diagnosticar uma variedade de condições.

"Agora mesmo, temos quatro sites de detecção, mas se você pudesse estendê-lo para 16 ou 256, então você poderia ter vários tipos diferentes de células e ser capaz de lê-los todos em paralelo, permitindo mais triagem de alto rendimento, "Nadeau diz.