«Бактерии на микрочипе» для диагностики заболеваний

Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) создали проглатываемый электронный датчик, в котором в качестве анализатора используются генетически модифицированные бактериии. Устройство способно диагностировать кровотечение в желудке и другие проблемы желудочно-кишечного тракта и дистанционно передавать данные на смартфон.

Гибридная технология под рабочим названием «bacteria-on-a-chip» (бактерия на чипе) сочетает в себе датчики-анализаторы, выполненные из живых бактериальных клеток, с маломощным электронным устройством, преобразующим реакцию бактерий на определённую внешнюю среду в беспроводной сигнал, который может считываться с помощью обычного смартфона.

Инженеры MIT разработали проглатывающий датчик, снабженный бактериями, запрограммированными для определения условий окружающей среды и передачи информации в электронную схему.

«Объединяя инженерные биологические датчики вместе с маломощной беспроводной электроникой, мы можем обнаруживать биологические сигналы в организме в режиме реального времени. Это открывает новые диагностические возможности для приложений и систем мониторинга здоровья человека», — говорит Тимоти Лу, доцент Массачусетского технологического института по электротехнике, информатики и биологической инженерии.

Старшие авторы исследования — Лу и Ананта Чандракасан, декан инженерной школы Массачусетского технологического института и профессор электротехники и информатики Ванневара Буша. Ведущими авторами являются аспирант Марк Миме и Филипп Надео.

В последнее десятилетие синтетические биологи добились больших успехов в разработке бактерий, способных реагировать на такие стимулы, как загрязнители окружающей среды или определённые маркеры болезней. Эти бактерии могут быть спроектированы таким образом, чтобы их реакция на определённый вид раздражителя проявлялась в виде биолюминесценции (слабое излучение света).

Команда учёных из MIT решила объединить эти бактерии с миниатюрным электронным чипом, который бы мог улавливать слабое свечение бактерий и переводить его в беспроводной сигнал.

«Наша идея заключалась в упаковке бактериальных клеток внутри устройства, — говорит Филипп Надео, один из авторов исследования. — Клетки будут пойманы в ловушку и отправятся на прогулку по пищеварительному тракту, одновременно собирая необходимые нам данные».

Для первоначальной демонстрации своей идеи исследователи сосредоточились на обнаружении кровотечения в пищеварительном тракте. Учёные спроектировали пробиотический штамм бактерии E. coli, который стал испускать свет при столкновении с гемом — белок, входящий в состав крови.

Они поместили бактерии в лунки на специально разработанном датчике, покрытом полупроницаемой мембраной, которая позволяет рассеивать малые молекулы из окружающей среды. Под каждой лункой находится фототранзистор, измеряющий количество света, создаваемого бактериальными клетками, и передающий информацию на микропроцессор, который в свою очередь отправляет беспроводной сигнал на ближайший компьютер или смартфон. Исследователи также создали приложение для Android, которое можно использовать для анализа данных.

Датчик представляет собой капсулу длиной 3,5 см, потребляющий около 13 микроватт. Исследователи установили датчик с 2,7-вольтовой батареей, которая, по их оценкам, может приводить в действие устройство в течение примерно 1,5 месяцев непрерывного использования.

«Основное внимание в этой работе уделяется системному проектированию и интеграции для объединения возможностей бактериального зондирования с ультра-маломощными схемами для реализации важных приложений для зондирования здоровья», — говорит Чандракасан.

Исследователи протестировали проглатываемый датчик на свиньях и показали, что он может правильно определить, присутствует ли кровь в системе пищеварения. Учёные ожидают, что этот тип датчиков можно быть развернут для одноразового использования, либо сконструирован так, чтобы оставаться пищеварительном тракте в течение нескольких дней или недель, отправляя непрерывные сигналы.

В настоящее время, если у пациентов, предположительно, возникает кровотечение из язвы желудка, им необходимо пройти эндоскопию, чтобы диагностировать проблему. «Цель этого датчика заключается в том, что вы сможете обойти неприятную процедуру, просто проглотив капсулу, и в течение относительно короткого периода времени узнаете, было ли кровотечение», — говорит Миме.

Чтобы испытать технологию на пациентах, исследователи планируют уменьшить размер датчика и изучить, как долго бактерии могут выживать в пищеварительном тракте. Также они надеются разработать универсальные датчики, способные диагностировать различные желудочно-кишечных заболевания, а не только наличие кровотечений. Первые шаги в этом направлении уже сделаны.

Учёные адаптировали ранее описанные датчики для двух других молекул, которые еще не были испытаны 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 под названием AHL, которая может служить маркером для желудочно-кишечных инфекций.

Потенциал технологии оценивается высоко. По мнению исследователей миниатюрные заглатываемые датчики, содержащие в себе различные специализированные штаммы бактерий и сигнальных молекул, позволят очень просто и без дискомфорта диагностировать широкий спектр состояний желудочно-кишечного тракта.

Источник: ScienceDaily