MIT-onderzoekers hebben een opneembare sensor gebouwd die is uitgerust met genetisch gemanipuleerde bacteriën die bloedingen in de maag of andere gastro-intestinale problemen kunnen diagnosticeren.

Deze "bacteriën-op-een-chip"-benadering combineert sensoren gemaakt van levende cellen met ultra-low-power elektronica die de bacteriële respons omzet in een draadloos signaal dat kan worden gelezen door een smartphone.

"Door geconstrueerde biologische sensoren te combineren met energiezuinige draadloze elektronica, we kunnen biologische signalen in het lichaam detecteren en in bijna realtime, nieuwe diagnostische mogelijkheden voor toepassingen op het gebied van de menselijke gezondheid mogelijk maken, " zegt Timothy Lu, een MIT universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica en biologische technologie.

In de nieuwe studie verschijnen in de online editie van 24 mei van Wetenschap , de onderzoekers creëerden sensoren die reageren op heem, een bestanddeel van bloed, en toonden aan dat ze bij varkens werken. Ze ontwierpen ook sensoren die kunnen reageren op een molecuul dat een ontstekingsmarker is.

Lu en Anantha Chandrakasan, decaan van de MIT's School of Engineering en de Vannevar Bush Professor of Electrical Engineering and Computer Science, zijn de senior auteurs van de studie. De hoofdauteurs zijn afgestudeerde student Mark Mimee en voormalig MIT-postdoc Phillip Nadeau.

Draadloze communicatie

In het afgelopen decennium, synthetisch biologen hebben grote vooruitgang geboekt in het manipuleren van bacteriën om te reageren op stimuli zoals milieuverontreinigende stoffen of markers van ziekte. Deze bacteriën kunnen worden ontworpen om outputs zoals licht te produceren wanneer ze de doelstimulus detecteren, maar meestal is gespecialiseerde laboratoriumapparatuur nodig om deze respons te meten.

Om deze bacteriën nuttiger te maken voor toepassingen in de echte wereld, het MIT-team besloot ze te combineren met een elektronische chip die de bacteriële reactie kon vertalen in een draadloos signaal.

"Ons idee was om bacteriële cellen in een apparaat te verpakken, "zegt Nadeau. "De cellen zouden worden opgesloten en meegaan voor de rit terwijl het apparaat door de maag gaat."

Voor hun eerste demonstratie, de onderzoekers concentreerden zich op bloedingen in het maagdarmkanaal. Ze ontwikkelden een probiotische stam van E. coli om een ​​genetisch circuit tot expressie te brengen dat ervoor zorgt dat de bacteriën licht uitstralen wanneer ze heem tegenkomen.

Ze plaatsten de bacteriën in vier putjes op hun speciaal ontworpen sensor, bedekt door een semipermeabel membraan waardoor kleine moleculen uit de omgeving kunnen diffunderen. Onder elk putje bevindt zich een fototransistor die de hoeveelheid licht kan meten die door de bacteriecellen wordt geproduceerd en de informatie kan doorgeven aan een microprocessor die een draadloos signaal naar een nabijgelegen computer of smartphone stuurt. De onderzoekers bouwden ook een Android-app waarmee de data kan worden geanalyseerd.

de voeler, dat is een cilinder van ongeveer 1,5 inch lang, vereist ongeveer 13 microwatt aan stroom. De onderzoekers rustten de sensor uit met een 2,7 volt batterij, waarvan ze schatten dat het apparaat ongeveer 1,5 maand continu kan worden gebruikt. Ze zeggen dat het ook kan worden aangedreven door een voltaïsche cel die wordt ondersteund door zure vloeistoffen in de maag, gebruikmakend van technologie die Nadeau en Chandrakasan eerder hebben ontwikkeld.

"De focus van dit werk ligt op systeemontwerp en -integratie om de kracht van bacteriële detectie te combineren met ultra-low-power circuits om belangrijke gezondheidswaarnemingstoepassingen te realiseren, ' zegt Chandrakasan.

Diagnose van ziekte

De onderzoekers testten de opneembare sensor bij varkens en toonden aan dat deze correct kon bepalen of er bloed in de maag aanwezig was. Ze verwachten dat dit type sensor ofwel kan worden ingezet voor eenmalig gebruik of ontworpen kan worden om gedurende meerdere dagen of weken in het spijsverteringskanaal te blijven, continue signalen sturen.

Momenteel, als wordt vermoed dat patiënten bloeden uit een maagzweer, ze moeten een endoscopie ondergaan om het probleem te diagnosticeren, waarvoor vaak verdoving van de patiënt nodig is.

"Het doel met deze sensor is dat je een onnodige procedure zou kunnen omzeilen door gewoon de capsule in te nemen, en binnen een relatief korte tijd zou u weten of er al dan niet een bloeding was, ' zegt Mimee.

Om de technologie te helpen evolueren naar gebruik door patiënten, de onderzoekers zijn van plan de sensor te verkleinen en te bestuderen hoe lang de bacteriecellen in het spijsverteringskanaal kunnen overleven. Ze hopen ook sensoren te ontwikkelen voor andere gastro-intestinale aandoeningen dan bloedingen.

In de Wetenschap papier, de onderzoekers pasten eerder beschreven sensoren aan voor twee andere moleculen, die ze nog niet op dieren hebben getest. Een van de sensoren detecteert een zwavelhoudend ion genaamd thiosulfaat, die verband houdt met ontstekingen en kan worden gebruikt om patiënten met de ziekte van Crohn of andere ontstekingsaandoeningen te controleren. De andere detecteert een bacterieel signaalmolecuul genaamd AHL, die kan dienen als een marker voor gastro-intestinale infecties omdat verschillende soorten bacteriën enigszins verschillende versies van het molecuul produceren.

"Het meeste werk dat we in de krant deden, had te maken met bloed, maar het is denkbaar dat je bacteriën zou kunnen manipuleren om iets te voelen en licht te produceren als reactie daarop, ", zegt Mimee. "Iedereen die probeert bacteriën te manipuleren om een ​​molecuul te detecteren dat verband houdt met ziekte, kan het in een van die putten stoppen, en het zou klaar zijn om te gaan."

De onderzoekers zeggen dat de sensoren ook kunnen worden ontworpen om meerdere bacteriestammen te dragen, waardoor ze verschillende aandoeningen kunnen diagnosticeren.

"Direct, we hebben vier detectiesites, maar als je het zou kunnen uitbreiden naar 16 of 256, dan zou je meerdere verschillende soorten cellen kunnen hebben en ze allemaal parallel kunnen uitlezen, het mogelijk maken van meer high-throughput screening, ' zegt Nadeau.