Diagnosi via app grazie ad un biosensore ingeribile contenente batteri

In un futuro non troppo lontano per diagnosticare alcune tipologie di patologie sarà sufficiente ingerire un microchip contenente dei batteri geneticamente modificati in grado di fungere da biosensore ed inviare, in tempo reale, informazioni sulla propria condizione fisiologica direttamente su un computer o uno smartphone. In altre parole, sarà possibile visualizzare i risultati di un’analisi semplicemente attraverso un’applicazione.

A dimostrare la fattibilità e l’efficacia di questo ambizioso progetto sono stati alcuni ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Boston, coordinati da Timothy Lu e Phillip Nadeau, i quali hanno realizzato un prototipo grande quanto una pillola di antibiotico (Fig. 1), le cui performance sono state descritte in una pubblicazione sulla rivista Science.

Figura 1 – Fotografia del biosensore, basato su batteri geneticamente modificati ed un chip elettronico, progettato per essere ingerito e trasmettere informazioni ad un dispositivo elettronico mediante un’applicazione.

Non è il primo dispositivo pensato per viaggiare nel corpo e diagnosticare dall’interno eventuali alterazioni del normale metabolismo (soprattutto gastro-intestinale). Ad esempio, le capsule dotate di telecamera usate per effettuare una endoscopia del tratto gastro-intestinale sono una realtà già da alcuni anni.

I ricercatori del MIT hanno però pensato a un dispositivo a basso consumo energetico che andasse oltre, permettendo di esplorare la fisiologia delle parti più inaccessibili dell’intestino, ma anche di diagnosticare disturbi o l’andamento di malattie. Inoltre, la loro idea combina biotecnologie ed elettronica.

Il prototipo da loro realizzato, chiamato IMBED, ossia Ingestible Micro-Bio-Electronic Device, è infatti costituito da cellule batteriche piazzate su un sensore, coperto da una membrana semipermeabile che consente alle molecole dell’ambiente circostante di penetrare e diffondersi all’interno (Fig. 2). Esso richiede soltanto 13 microwatt di energia ed è stato equipaggiato con una batteria da 2,7 volt in grado di garantire un funzionamento continuativo di circa un mese e mezzo.

Figura 2 – Schema dell’architettura interna del biosensore IMBED (Ingestible Micro-Bio-Electronic Device).

Cellule di Escherichia coli sono stati modificate con l’ingegneria genetica in modo da emettere un segnale luminoso quando captano la presenza di una molecola bersaglio (eme dell’emoglobina segno di una emorragia interna). A quel punto un transistor misura la quantità di luce emessa e trasmette l’informazione ad un microprocessore, che a sua volta invia un segnale wireless a un computer o ad uno smartphone. Il tutto è contenuto in una struttura di circa 4 centimetri di lunghezza.

La funzionalità e le performance di questo innovativo biosensore sono state dimostrate in uno studio condotto su un modello animale rappresentato dal maiale. In un arco temporale di due ore, il device ha diagnosticato senza errori la presenza di sangue che era stato precedentemente iniettato nello stomaco degli animali (Fig. 3).

Figura 3 – A) Schema del test di verifica di funzionamento del biosensore condotto in maiali. B) Fotografia del biosensore nel tratto gastro-intestinale di un maiale. C) Radiografia per l’individuazione del biosensore all’interno del modello animale. D) Elaborazione al computer del segnale trasmetto dal biosensore: confronto tra l’andamento ottenuto in presenza di sangue nell’intestino dei maiali e quello ottenuto in presenza di un buffer di controllo. E) Specifiche tecniche delle prestazioni del sensore.

Tale test ha avuto come obiettivo quello di simulare un’emorragia interna, causata solitamente da un’ulcera gastrica, tuttavia il potenziale applicativo di questo biosensore va ben oltre poiché i batteri che lo costituiscono potrebbero essere ingegnerizzati per monitorare altre tipologie di molecole target come ad esempio molecole infiammatorie il cui rilevamento potrebbe dimostrare la presenza di malattie intestinali come il morbo di Crohn, infezioni o addirittura forme tumorali dello stomaco e dell’intestino.

Inoltre, tale dispositivo potrebbe essere progettato per essere usato una volta sola oppure per rimanere alcuni giorni o settimane nel tratto digestivo, e per trasportare più ceppi di batteri geneticamente modificati in modo da diagnosticare diverse patologie.

 

Nicola Di Fidio

 

Sitografia

Crediti video

Bibliografia

  • Mark Mimee, Phillip Nadeau, Alison Hayward, Sean Carim, Sarah Flanagan, Logan Jerger, Joy Collins, Shane McDonnell, Richard Swartwout, Robert J. Citorik, Vladimir Bulović, Robert Langer, Giovanni Traverso, Anantha P. Chandrakasan, Timothy K. Lu. An ingestible bacterial-electronic system to monitor gastrointestinal health. Science, 2018, Vol. 360, Issue 6391, pp. 915-918, DOI: 10.1126/science.aas9315.

Crediti immagini

Nicola Di Fidio, Ph.D. student
Department of Chemistry and Industrial Chemistry – University of Pisa
Via G. Moruzzi 13 – 56124 Pisa
MSc. in Industrial and Environmental Biotechnologies
Mob: +39 3299740251
Primary e-mail: nicola.difidio91@gmail.com
Secondary e-mail: n.difidio@studenti.unipi.it

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