Sensor bacteriano ingerible para diagnosticar diversas patologías digestivas

Dentro de los avances obtenidos en la última década, los biólogos sintéticos han desarrollado aceleradamente la ingeniería de bacterias, empleando como base a estos versátiles microorganismos, que han sido modificados para responder ante estímulos previamente definidos, ya sean contaminantes ambientales o bien, como marcadores específicos de algunas enfermedades.

Estas bacterias pueden diseñarse para producir resultados medibles externamente, como la emisión de una señal luminosa cuando detectan el estímulo que ha sido definido como su objetivo. Este proceso involucra el empleo de equipos de laboratorio especializados, encargados de evaluar y medir esta respuesta, requiriendo por lo tanto una mayor complejidad, gasto monetario y tiempo para su determinación, hecho que le resta practicidad para su uso diagnóstico, tanto in vivo como in vitro.

El MIT y el IMBED

En el nuevo estudio, cuyos autores principales son Timothy Lu y Anantha Chandrakasan, de la MIT’s School of Engineering y el Profesor Vannevar Bush de Electrical Engineering and Computer Science reportan sus hallazgos en una reciente edición en línea perteneciente a la revista Science.

El equipo del MIT construyó un dispositivo microbioelectrónico ingerible (IMBED), que consiste en un sensor ingerible equipado con bacterias modificadas genéticamente, que pueden emplearse para diagnosticar hemorragias gástricas u otros cuadros y patologías gastrointestinales.

Este enfoque de «bacterias en un chip» combina sensores hechos de células vivas con componentes electrónicos de muy baja potencia, que convierten la respuesta bacteriana en una señal inalámbrica, la que puede ser leída usando un teléfono inteligente, por lo que este dispositivo pasa a constituirse en un método rápido, económico y fácil de usar.

Los sensores están diseñados para responder al grupo hemo, que demostró su eficacia en estudio con cerdos. También diseñaron otros tipos de sensores que pueden responder a una molécula marcadora específica de la inflamación.

Como explica Lu: «Al combinar sensores biológicos de ingeniería junto con electrónica inalámbrica de baja potencia, podemos detectar señales biológicas en el cuerpo y casi en tiempo real, lo que permite nuevas capacidades de diagnóstico para aplicaciones de salud humana«.

Material y método

Para su demostración inicial, los científicos se focalizaron en un signo puntual: hemorragia del tracto gastrointestinal, para lo cual diseñaron una cepa probiótica de Escherichia coli, capaz de  expresar una característica genética que posibilita que emitan luz cuando se encuentra con el grupo hemo.

Para su diseño, pusieron bacterias en cuatro cavidades, con su sensor diseñado a medida, el cual fue cubierto por una membrana semipermeable que permitiera que las moléculas pequeñas del entorno corporal difundieran a través de ellas. Debajo de cada cavidad se dispuso de un fototransistor capaz de medir la cantidad de luz emitida por las células bacterianas. Posteriormente,  se transmite la información a un microprocesador, el que a su vez envía una señal inalámbrica a una computadora o teléfono inteligente cercano. Para procesar y analizar los datos, los investigadores también tuvieron que construir una aplicación de Android que convirtiera dichas señales en datos que pudieran ser leídos e interpretados.

El sensor- que es un cilindro de aproximadamente 3,8 centímetros de largo- requiere de una potencia aproximada de 13 microvatios, para lo cual fue equipado con una batería de 2,7 voltios- que según los cálculos realizados- podría alimentar el dispositivo durante mes y medio de uso continuo. Como una alternativa, también podría ser alimentado por una célula voltaica, cuyo funcionamiento estaría sostenido por los fluidos ácidos en el estómago, usando la tecnología previamente desarrollada por Nadeau y Chandrakasan.

Uso diagnóstico

Puesto que los investigadores probaron el sensor ingerible en cerdos y demostraron que podía determinar correctamente la presencia de sangre en la cavidad gástrica, esperan que este tipo de sensor pueda implementarse para un solo uso o bien ser diseñado para permanecer en el tracto digestivo durante varios días o semanas, enviando señales continuas, en caso de sangrados intermitentes de las vías digestivas. «El objetivo con este sensor es que usted podría eludir un procedimiento innecesario con solo ingerir la cápsula, y en un período relativamente corto de tiempo sabría si hubo o no un evento hemorrágico«, dice Mimee, uno de los creadores del dispositivo.

Mejoras y ampliaciones del dispositivo

Para acercar esta tecnología al paciente, los investigadores planean reducir el tamaño del sensor, para facilitar su ingesta por los pacientes y estudiar cuánto tiempo pueden sobrevivir las células bacterianas en el tracto digestivo. También esperan desarrollar sensores para afecciones gastrointestinales distintas a las hemorrágicas.

Los investigadores también analizaron la posibilidad de adaptar sensores previamente descritos para otras dos moléculas, que aún no han sido probados en animales- como es el caso del sensor que detecta el ión tiosulfato-  que está relacionado con la inflamación, que podría usarse para el control de los pacientes con enfermedad de Crohn u otras patologías inflamatorias. Otro de estos dispositivos es capaz de detectar una molécula de señalización bacteriana llamada AHL, que puede servir como marcador de distintos tipos de infecciones gastrointestinales, debido a que diferentes tipos de bacterias sintetizan moléculas levemente diferentes de este compuesto.

Este dispositivo podría emplearse de múltiples maneras en el futuro, ya que los pacientes podrían simplemente tragar esta cápsula-sensor para detectar signos tempranos de patologías como el cáncer, en lugar de hacerse procedimientos invasivos y que requieren una preparación previa, como es el caso de una colonoscopia. También ayudaría a monitorear aquellas partes difíciles de alcanzar del intestino delgado en personas que padecen de enfermedades inflamatorias, como es el caso de la enfermedad de Crohn o como un medio de estudiar la microbiota de los individuos y su relación con las diversas patologías locales y sistémicas.

También se espera que su costo de producción sea bajo, ya que las bacterias y los insumos electrónicos- una vez desarrollada la tecnología- son relativamente baratos, más aún en comparación al empleo de otras modalidades diagnósticas que requieren medicamentos como sedantes, aparatología compleja e internación.

Pero de momento,  esta cápsula sigue siendo un prototipo y no se ha probado aún en humanos. Se espera que tome  varios años el perfeccionamiento de un dispositivo que sea seguro y útil para  diagnosticar  y/o monitorear  enfermedades humanas.