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Un sistema batterico-elettronico ingeribile monitora la salute …

La nuova frontiera della medicina diagnostica consiste in un microchip. Quando si parlava di fantascienza cercando di prevedere quali sarebbero stati i progressi più incredibili forse non si immaginava una tale innovazione in campo medico, eppure oggi possiamo vantare simili successi.  In questo caso si tratta di cellule batteriche vive e ingegnerizzate, associate ad un circuito elettrico a bassa frequenza che riesce a rilevare in tempo reale  la risposta batterica a un preciso marcatore, che poi viene comunicata tramite segnale wireless. Strano ma vero, i batteri si trovano in un microchip ingeribile utile per il monitoraggio della microflora intestinale. La scoperta arriva dal Massachusetts Institute of Technology di Cambridge ed è stata pubblicata recentemente su Science.

Questa ricerca si basa su fatti già noti, evidenze scientifiche conosciute. Per prima cosa si è guardato allo sviluppo di batteri ingegnerizzati che possano rispondere a precisi marcatori eo stimoli esterni. Il limite legato all’utilizzo di questo tipo di batteri consiste nella necessità di monitoraggio esterno. Questo ha portato a guardare alla tecnica farmaceutica avanzata, basandosi sulla possibilità di progettare delle capsule elettroniche ingeribili dalle quali si possano successivamente ottenere le immagini degli organi interni eo rilasciare farmaci in situ a velocità e dose controllata. 

L’ultima generazione di biosensori: Il prototipo IMBED è la prova del potenziale dei biosensori in capsule capaci di rilevare molecole nell’intestino, che potrebbero ampliare la nostra comprensione della fisiologia GI e della funzione di nutrienti e del microbiota nella salute e nelle malattie.
GRAPHIC: V. ALTOUNIAN/SCIENCE

La possibilità di combinare queste diverse evidenze scientifiche è apparsa da subito allettante, fermo restando che un utilizzo su larga scala appare difficilmente applicabile. E’ stato messo a punto un microchip, chiamato IMBED (Micro-Bio-Electronic Device), che riesce a individuare la componente batterica interna e a comunicare i risultati attraverso l’utilizzo di un circuito elettrico a bassa energia inviando i dati attraverso opportune applicazioni appositamente progettate.

L’esigenza di progettare un microchip di questo genere nasce a partire dalla pratica clinica. Una delle conseguenze più comuni in seguito a gravi infiammazioni, ulcere o neoplasie è il sanguinamento gastrointestinale. Dato che per valutare l’effettivo sanguinamento, ad oggi, esistono tecniche diagnostiche invasive quali le endoscopie o l’aspirazione di fluido gastrico, si è pensato che un microchip potesse essere in grado di valutare le condizioni del paziente senza risultare troppo invasivo. A tale proposito, è stata sviluppata esternamente al microchip una membrana semipermeabile e multistrato che permette il passaggio selettivo solo di alcune molecole. Si tratta di microchip aventi biosensori per il monitoraggio dell’eme. L’eme è il componente strutturale dei globuli rossi e in caso di sanguinamento la sua concentrazione aumenta proporzionalmente in modo diretto rispetto alla lisi degli eritrociti.

Il “prescelto batterico” per tale scopo è stato l’Escherichia coli Nissle 1917. Ingegnerizzando l’ E.coli con il biosensore MG1655-V1 esprimente ChuA e HrTR, rispettivamente il trasportatore interno dell’eme e il fattore di repressione trascrizionale che ne regola l’espressione. Si arriva quindi alla traduzione del segnale in presenza di sangue, che si traduce in un segnale luminoso di opportuna intensità variabile in base all’effettiva concentrazione di eme.

Sulla base del fatto che questi biosensori siano “intercambiabili” vale a dire modificabili  e sensibili ad un opportuno marcatore, è stato possibile effettuare degli studi in vitro basati sulla ricerca di tiosolfato, agente collegato allo sviluppo dell’infiammazione nel morbo di Crohn, e di AHL espressa in caso di infezioni gastriche. Ecco come un modello base si avvale dell’ingegneria per variare il target d’azione e adattarsi a qualsiasi finalità diagnostica. Il futuro della medicina è in una capsula che soddisfa sia medici che pazienti?

Alice Marcantonio

Fonte:

Mimee M, Nadeau P, Hayward A, Carim S, Flanagan S, Jerger L, Collins J, McDonnell S, Swartwout R, Citorik RJ, Bulović V, Langer R, Traverso G, Chandrakasan AP, Lu TK. An ingestible bacterial-electronic system to monitor gastrointestinal health. Science. 2018 May 25;360(6391):915-918. doi: 10.1126/science.aas9315.

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