Les chercheurs du MIT ont construit un capteur ingérable équipé de bactéries génétiquement modifiées qui peuvent diagnostiquer des saignements dans l'estomac ou d'autres problèmes gastro-intestinaux.

Cette approche de « bactéries sur puce » combine des capteurs fabriqués à partir de cellules vivantes avec une électronique à très faible consommation qui convertit la réponse bactérienne en un signal sans fil pouvant être lu par un smartphone.

"En combinant des capteurs biologiques d'ingénierie avec de l'électronique sans fil à faible consommation, nous pouvons détecter des signaux biologiques dans le corps et en temps quasi réel, permettant de nouvelles capacités de diagnostic pour les applications de santé humaine, " dit Timothée Lu, professeur agrégé au MIT en génie électrique et informatique et en génie biologique.

Dans la nouvelle étude, paru dans l'édition en ligne du 24 mai de Science , les chercheurs ont créé des capteurs qui répondent à l'hème, un composant du sang, et a montré qu'ils travaillent chez les porcs. Ils ont également conçu des capteurs capables de répondre à une molécule qui est un marqueur d'inflammation.

Lu et Anantha Chandrakasan, doyen de la School of Engineering du MIT et professeur Vannevar Bush de génie électrique et d'informatique, sont les auteurs principaux de l'étude. Les auteurs principaux sont l'étudiant diplômé Mark Mimee et l'ancien postdoctorant du MIT Phillip Nadeau.

Communication sans fil

Dans la dernière décennie, les biologistes synthétiques ont fait de grands progrès dans l'ingénierie des bactéries pour répondre à des stimuli tels que les polluants environnementaux ou les marqueurs de la maladie. Ces bactéries peuvent être conçues pour produire des sorties telles que la lumière lorsqu'elles détectent le stimulus cible, mais un équipement de laboratoire spécialisé est généralement nécessaire pour mesurer cette réponse.

Pour rendre ces bactéries plus utiles pour des applications réelles, l'équipe du MIT a décidé de les combiner avec une puce électronique qui pourrait traduire la réponse bactérienne en un signal sans fil.

"Notre idée était d'emballer des cellules bactériennes à l'intérieur d'un appareil, ", dit Nadeau. "Les cellules seraient piégées et partiraient pour le trajet pendant que l'appareil traverse l'estomac."

Pour leur première démonstration, les chercheurs se sont concentrés sur les saignements dans le tractus gastro-intestinal. Ils ont conçu une souche probiotique d'E. coli pour exprimer un circuit génétique qui amène les bactéries à émettre de la lumière lorsqu'elles rencontrent de l'hème.

Ils ont placé les bactéries dans quatre puits sur leur capteur conçu sur mesure, recouvert d'une membrane semi-perméable qui permet aux petites molécules du milieu environnant de se diffuser. Sous chaque puits se trouve un phototransistor qui peut mesurer la quantité de lumière produite par les cellules bactériennes et relayer les informations à un microprocesseur qui envoie un signal sans fil à un ordinateur ou un smartphone à proximité. Les chercheurs ont également créé une application Android qui peut être utilisée pour analyser les données.

Le capteur, qui est un cylindre d'environ 1,5 pouces de long, nécessite environ 13 microwatts de puissance. Les chercheurs ont équipé le capteur d'une batterie de 2,7 volts, qui, selon eux, pourrait alimenter l'appareil pendant environ 1,5 mois d'utilisation continue. Ils disent qu'il pourrait également être alimenté par une cellule voltaïque alimentée par des fluides acides dans l'estomac, utilisant la technologie que Nadeau et Chandrakasan ont déjà développées.

"L'objectif de ce travail est la conception et l'intégration de systèmes pour combiner la puissance de la détection bactérienne avec des circuits à très faible consommation d'énergie pour réaliser d'importantes applications de détection de la santé, " dit Chandrakasan.

Diagnostiquer la maladie

Les chercheurs ont testé le capteur ingérable sur des porcs et ont montré qu'il pouvait déterminer correctement la présence de sang dans l'estomac. Ils prévoient que ce type de capteur pourrait être soit déployé pour un usage unique, soit conçu pour rester dans le tube digestif pendant plusieurs jours ou semaines, envoyer des signaux continus.

Actuellement, si les patients sont suspectés de saigner d'un ulcère gastrique, ils doivent subir une endoscopie pour diagnostiquer le problème, ce qui nécessite souvent la mise sous sédation du patient.

"Le but avec ce capteur est que vous puissiez contourner une procédure inutile en ingérant simplement la capsule, et dans un laps de temps relativement court, vous sauriez s'il y a eu ou non un événement hémorragique, " dit Mimée.

Pour aider à faire évoluer la technologie vers l'utilisation par les patients, les chercheurs prévoient de réduire la taille du capteur et d'étudier combien de temps les cellules bactériennes peuvent survivre dans le tube digestif. Ils espèrent également développer des capteurs pour les affections gastro-intestinales autres que les saignements.

Dans le Science papier, les chercheurs ont adapté les capteurs décrits précédemment pour deux autres molécules, qu'ils n'ont pas encore testés sur des animaux. L'un des capteurs détecte un ion contenant du soufre appelé thiosulfate, qui est lié à l'inflammation et pourrait être utilisé pour surveiller les patients atteints de la maladie de Crohn ou d'autres affections inflammatoires. L'autre détecte une molécule de signalisation bactérienne appelée AHL, qui peut servir de marqueur pour les infections gastro-intestinales car différents types de bactéries produisent des versions légèrement différentes de la molécule.

"La plupart du travail que nous avons fait dans le journal était lié au sang, mais on peut concevoir que des bactéries détectent n'importe quoi et produisent de la lumière en réponse à cela, " dit Mimee. " Quiconque essaie de concevoir des bactéries pour détecter une molécule liée à une maladie pourrait l'insérer dans l'un de ces puits, et il serait prêt à partir.

Les chercheurs disent que les capteurs pourraient également être conçus pour transporter plusieurs souches de bactéries, leur permettant de diagnostiquer une variété de conditions.

"À l'heure actuelle, nous avons quatre sites de détection, mais si vous pouviez l'étendre à 16 ou 256, alors vous pourriez avoir plusieurs types de cellules différents et être capable de les lire toutes en parallèle, permettant un criblage plus haut débit, " dit Nadeau.