Сверхмаломощные датчики с генетически модифицированными бактериями могут обнаруживать желудочное кровотечение.
Сверхмаломощные датчики с генетически модифицированными бактериями могут обнаруживать желудочное кровотечение
Энн Трафтон | Офис новостей Массачусетского технологического института
24 мая 2018 г.
Исследователи Массачусетского технологического института создали датчик для приема внутрь, оснащенный генетически модифицированными бактериями, который может диагностировать кровотечение в желудке или другие желудочно-кишечные проблемы.
Этот подход «бактерии на чипе» сочетает в себе датчики, сделанные из живых клеток, с электроникой со сверхнизким энергопотреблением, которая преобразует реакцию бактерий в беспроводной сигнал, который может быть прочитан смартфоном.
«Сочетая инженерные биологические датчики с маломощной беспроводной электроникой, мы можем обнаруживать биологические сигналы в организме почти в режиме реального времени, открывая новые диагностические возможности для приложений в области здравоохранения», - говорит Тимоти Лу., адъюнкт-профессор электротехники, информатики и биологической инженерии Массачусетского технологического института.
В новом исследовании, опубликованном в онлайн-издании Science от 24 мая, исследователи создали датчики, которые реагируют на гем, компонент крови, и показали, что они работают на свиньях. Они также разработали датчики, которые могут реагировать на молекулу, являющуюся маркером воспаления.
Лу и Ананта Чандракасан, декан Инженерной школы Массачусетского технологического института и профессор электротехники и информатики Ванневара Буша, являются старшими авторами исследования. Ведущими авторами являются аспирант Марк Мими и бывший постдоктор Массачусетского технологического института Филип Надо.
Беспроводная связь
За последнее десятилетие биологи-синтетики добились больших успехов в разработке бактерий, способных реагировать на такие раздражители, как загрязнители окружающей среды или маркеры заболеваний. Эти бактерии могут быть сконструированы таким образом, чтобы при обнаружении целевого стимула они излучали свет, но для измерения этой реакции обычно требуется специальное лабораторное оборудование.
Чтобы сделать эти бактерии более полезными для реальных приложений, команда Массачусетского технологического института решила объединить их с электронным чипом, который мог бы переводить реакцию бактерий в беспроводной сигнал.
«Наша идея заключалась в том, чтобы упаковать бактериальные клетки внутри устройства, - говорит Надо. «Клетки оказались бы в ловушке и продолжили бы путь, пока устройство проходит через желудок».
Для своей первоначальной демонстрации исследователи сосредоточились на кровотечении в желудочно-кишечном тракте. Они разработали пробиотический штамм кишечной палочки, чтобы экспрессировать генетическую цепь, которая заставляет бактерии излучать свет, когда они сталкиваются с гем.
Они поместили бактерии в четыре лунки на специально разработанном датчике, покрытом полупроницаемой мембраной, которая позволяет небольшим молекулам из окружающей среды диффундировать через нее. Под каждой лункой находится фототранзистор, который может измерять количество света, производимого бактериальными клетками, и передавать информацию на микропроцессор, который отправляет беспроводной сигнал на ближайший компьютер или смартфон. Исследователи также создали приложение для Android, которое можно использовать для анализа данных.
Датчик, представляющий собой цилиндр длиной около 1,5 дюймов, потребляет около 13 микроватт энергии. Исследователи оснастили датчик 2,7-вольтовой батареей, которая, по их оценкам, может обеспечить питание устройства примерно на 1,5 месяца непрерывного использования. Они говорят, что он также может питаться от гальванического элемента, поддерживаемого кислой жидкостью в желудке, с использованием технологии, которую ранее разработали Надо и Чандракасан..
«Основное внимание в этой работе уделяется проектированию и интеграции систем, позволяющих сочетать возможности обнаружения бактерий со схемами сверхмалого энергопотребления для реализации важных приложений для датчиков здоровья», - говорит Чандракасан.
Диагностика заболеваний
Исследователи протестировали проглатываемый датчик на свиньях и показали, что он может правильно определять наличие крови в желудке. Они предполагают, что этот тип датчика можно будет использовать либо для одноразового использования, либо для того, чтобы он оставался в пищеварительном тракте в течение нескольких дней или недель, посылая непрерывные сигналы.
В настоящее время, если у пациентов подозревается кровотечение из язвы желудка, им необходимо пройти эндоскопию для диагностики проблемы, которая часто требует применения седативных средств.
«Цель этого датчика состоит в том, чтобы вы могли обойти ненужную процедуру, просто проглотив капсулу, и в течение относительно короткого периода времени узнать, было ли кровотечение., - говорит Мими.
Чтобы приблизить технологию к использованию пациентами, исследователи планируют уменьшить размер датчика и изучить, как долго бактериальные клетки могут выживать в пищеварительном тракте. Они также надеются разработать датчики для желудочно-кишечных заболеваний, отличных от кровотечения.
В статье Science исследователи адаптировали ранее описанные датчики для двух других молекул, которые они еще не тестировали на животных. Один из датчиков обнаруживает серосодержащий ион, называемый тиосульфатом, который связан с воспалением и может использоваться для наблюдения за пациентами с болезнью Крона или другими воспалительными состояниями. Другой обнаруживает бактериальную сигнальную молекулу, называемую AHL, которая может служить маркером желудочно-кишечных инфекций, поскольку разные типы бактерий производят немного разные версии молекулы.
«Большая часть работы, которую мы проделали в статье, была связана с кровью, но, возможно, вы могли бы сконструировать бактерии, чтобы чувствовать что угодно и излучать свет в ответ на это», - говорит Мими. «Любой, кто пытается сконструировать бактерии, чтобы чувствовать молекулу, связанную с болезнью, может поместить ее в один из этих колодцев, и она будет готова к работе».
Исследователи говорят, что датчики также могут быть предназначены для переноса нескольких штаммов бактерий, что позволяет им диагностировать различные состояния.
«Сейчас у нас есть четыре сайта обнаружения, но если бы вы могли расширить их до 16 или 256, то вы могли бы иметь несколько разных типов ячеек и иметь возможность считывать их все параллельно, что позволяет более высокопроизводительный скрининг», - говорит Надо.
Исследование финансировалось Texas Instruments, Гонконгским фондом инноваций и технологий, Управлением военно-морских исследований, Национальным научным фондом, Центром микробиомной информатики и терапии, Brigham and Women's Hospital, Qualcomm. Инновационное товарищество и Совет по естественным наукам и инженерии Канады. Изготовление чипа было предоставлено программой TSMC University Shuttle Program.
Перепечатано с разрешения MIT News