Einnehmbare “Bakterien auf einem Chip” könnten helfen, Krankheiten zu diagnostizieren

Bakterien in Chip verpflanzen
Bildquelle: science photo / Shutterstock.com

MIT-Forscher haben einen einnehmbaren Sensor gebaut, der mit gentechnisch veränderten Bakterien ausgestattet ist, die Blutungen im Magen oder andere Magen-Darm-Probleme diagnostizieren können.

Dieser “bacteria-on-a-chip”-Ansatz kombiniert Sensoren aus lebenden Zellen mit einer Ultra-Low-Power-Elektronik, die die bakterielle Reaktion in ein drahtloses Signal umwandelt, das von einem Smartphone gelesen werden kann.

“Durch die Kombination von biologischen Sensoren und drahtloser Elektronik mit geringer Leistung können wir biologische Signale im Körper und in nahezu Echtzeit erkennen und so neue Diagnosemöglichkeiten für Anwendungen im Bereich der menschlichen Gesundheit schaffen”, sagt Timothy Lu, Professor für Elektrotechnik und Informatik am MIT und für Biotechnik.

In der neuen Studie, die am 24. Mai in der Online-Ausgabe von Science erscheint, schufen die Forscher Sensoren, die auf Häm, einen Bestandteil des Blutes, reagieren und zeigten, dass sie bei Schweinen arbeiten. Sie haben auch Sensoren entwickelt, die auf ein Molekül reagieren können, das ein Marker für Entzündungen ist.

Lu und Anantha Chandrakasan, Dekan der MIT School of Engineering und der Vannevar Bush Professor für Elektrotechnik und Informatik, sind die leitenden Autoren der Studie. Die Hauptautoren sind der Doktorand Mark Mimee und der ehemalige MIT-Postdoc Phillip Nadeau.

Drahtlose Kommunikation des Chips

In den letzten zehn Jahren haben synthetische Biologen große Fortschritte bei der Entwicklung von Bakterien gemacht, um auf Reize wie Umweltschadstoffe oder Krankheitsmarker zu reagieren. Diese Bakterien können so konzipiert werden, dass sie bei der Erkennung des Zielreizes Licht erzeugen, aber normalerweise sind spezielle Laborgeräte erforderlich, um diese Reaktion zu messen.

Um diese Bakterien für reale Anwendungen nutzbar zu machen, hat das MIT-Team beschlossen, sie mit einem elektronischen Chip zu kombinieren, der die bakterielle Reaktion in ein drahtloses Signal umsetzen kann.

“Unsere Idee war, Bakterienzellen in einem Gerät zu verpacken”, sagt Nadeau. “Die Zellen wären gefangen und würden mitfahren, während das Gerät durch den Magen geht.”

Für ihre erste Demonstration konzentrierten sich die Forscher auf Blutungen im GI-Trakt. Sie entwickelten einen probiotischen Stamm von E. coli, um einen genetischen Kreislauf zu exprimieren, der die Bakterien veranlasst, Licht zu emittieren, wenn sie auf Häm stoßen.

Sie platzierten die Bakterien in vier Vertiefungen auf ihrem maßgeschneiderten Sensor, der von einer halbdurchlässigen Membran bedeckt ist, durch die kleine Moleküle aus der Umgebung diffundieren können. Unter jedem Brunnen befindet sich ein Fototransistor, der die von den Bakterienzellen erzeugte Lichtmenge messen und die Informationen an einen Mikroprozessor weiterleiten kann, der ein drahtloses Signal an einen Computer oder ein Smartphone in der Nähe sendet. Die Forscher haben auch eine Android-App entwickelt, mit der die Daten analysiert werden können.

Der Sensor, ein etwa 1,5 Zoll langer Zylinder, benötigt etwa 13 Mikrowatt Leistung. Die Forscher statteten den Sensor mit einer 2,7-Volt-Batterie aus, die das Gerät für etwa 1,5 Monate Dauerbetrieb betreiben könnte. Sie sagen, es könnte auch von einer voltaischen Zelle angetrieben werden, die durch saure Flüssigkeiten im Magen gestützt wird, unter Verwendung der Technologie, die Nadeau und Chandrakasan vorher entwickelt haben.

“Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Systemdesign und der Integration, um die Leistungsfähigkeit der bakteriellen Sensorik mit Schaltungen mit sehr geringer Leistung zu kombinieren, um wichtige Anwendungen im Bereich der Gesundheitssensorik zu realisieren”, sagt Chandrakasan.

Krankheiten diagnostizieren

Die Forscher testeten den einnehmbaren Sensor an Schweinen und zeigten, dass er korrekt feststellen konnte, ob Blut im Magen vorhanden war. Sie gehen davon aus, dass dieser Sensortyp entweder für den einmaligen Gebrauch eingesetzt werden kann oder so konzipiert ist, dass er für mehrere Tage oder Wochen im Verdauungstrakt verbleibt und kontinuierliche Signale aussendet.

Bei Verdacht auf Blutungen aus einem Magengeschwür müssen sich die Patienten derzeit einer Endoskopie unterziehen, um das Problem zu diagnostizieren, was oft eine Sedierung des Patienten erfordert.

“Das Ziel mit diesem Sensor ist, dass Sie eine unnötige Prozedur umgehen können, indem Sie nur die Kapsel einnehmen und innerhalb relativ kurzer Zeit wissen, ob es ein Blutungsereignis gibt oder nicht“, sagt Mimee.

Um die Technologie auf den Patienten zu übertragen, wollen die Forscher die Größe des Sensors reduzieren und untersuchen, wie lange die Bakterienzellen im Verdauungstrakt überleben können. Sie hoffen auch, Sensoren für andere gastrointestinale Zustände als Blutungen zu entwickeln.

Im Science Paper adaptierten die Forscher zuvor beschriebene Sensoren für zwei weitere Moleküle, die sie noch nicht an Tieren getestet haben. Einer der Sensoren detektiert ein schwefelhaltiges Ion namens Thiosulfat, das mit einer Entzündung verbunden ist und zur Überwachung von Patienten mit Morbus Crohn oder anderen entzündlichen Zuständen eingesetzt werden könnte. Die andere erkennt ein bakterielles Signalmolekül namens AHL, das als Marker für gastrointestinale Infektionen dienen kann, da verschiedene Arten von Bakterien leicht unterschiedliche Versionen des Moleküls produzieren.

Quelle: Sciencedaily.com

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