Sub

Naturaleza (2023)Cita este artículo

4371 Accesos

21 altmétrica

Detalles de métricas

Las moléculas transitorias en el tracto gastrointestinal, como el óxido nítrico y el sulfuro de hidrógeno, son señales clave y mediadores de la inflamación. Debido a su naturaleza altamente reactiva y su vida extremadamente corta en el cuerpo, estas moléculas son difíciles de detectar. Aquí desarrollamos un dispositivo miniaturizado que integra biosensores probióticos diseñados genéticamente con un fotodetector diseñado a medida y un chip de lectura para rastrear estas moléculas en el tracto gastrointestinal. Aprovechando la especificidad molecular de los sensores vivos1, codificamos genéticamente bacterias para que respondan a las moléculas asociadas a la inflamación produciendo luminiscencia. Los circuitos de lectura electrónicos de baja potencia2 integrados en el dispositivo convierten la luz emitida por las bacterias encapsuladas en una señal inalámbrica. Demostramos la monitorización de biosensores in vivo en el tracto gastrointestinal de modelos animales pequeños y grandes y la integración de todos los componentes en un factor de forma inferior a 1,4 cm3 que es compatible con la ingestión y capaz de admitir comunicación inalámbrica. Con este dispositivo, enfermedades como la enfermedad inflamatoria intestinal podrían diagnosticarse antes de lo que es posible actualmente y se podría realizar un seguimiento más preciso de la progresión de la enfermedad. La detección inalámbrica de moléculas de vida corta asociadas a enfermedades con nuestro dispositivo también podría respaldar la comunicación oportuna entre pacientes y cuidadores, así como la atención personalizada remota.

Esta es una vista previa del contenido de la suscripción, acceda a través de su institución

Acceda a Nature y a otras 54 revistas de Nature Portfolio

Obtenga Nature+, nuestra suscripción de acceso en línea con la mejor relación calidad-precio

$29.99 / 30 días

cancelar en cualquier momento

Suscríbete a esta revista

Reciba 51 números impresos y acceso en línea

$199.00 por año

sólo $3.90 por número

Alquila o compra este artículo

Los precios varían según el tipo de artículo.

desde $ 1,95

a$39.95

Los precios pueden estar sujetos a impuestos locales que se calculan durante el pago.

Todos los datos se proporcionan en el artículo y en la información complementaria. Las secuencias genéticas y los plásmidos se han depositado en el repositorio de Addgene con los identificadores de Addgene 199782–199792.

Inda, ME & Lu, TK Microbios como biosensores. Año. Rev. Microbiol. 74, 337–359 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Liu, Q. y col. Un detector de bioluminiscencia basado en umbral con una matriz de fotodiodos integrados CMOS en 65 nm para una cápsula ingerible de diagnóstico múltiple. IEEE J. Circuitos de estado sólido 58, 838–851 (2023).

Bourgonje, AR et al. Estrés oxidativo y terapias moduladoras de redox en la enfermedad inflamatoria intestinal. Tendencias Mol. Medicina. 26, 1034-1046 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Lee, J.-Y., Tsolis, RM y Bäumler, AJ El microbioma y la homeostasis intestinal. Ciencia 377, eabp9960 (2022).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Millones, M. et al. Aumento del redox intestinal y agotamiento de procariotas anaeróbicos y metanogénicos en la desnutrición aguda grave. Ciencia. Rep. 6, 26051 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Pribis, JP y cols. Jugadores: una subpoblación de células evolutivas inducida por antibióticos diferenciadas por una respuesta de estrés general inducida por oxígeno reactivo. Mol. Celda 74, 785–800.e7 (2019).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Reese, AT y cols. Los cambios en la microbiota inducidos por antibióticos alteran la dinámica redox en el intestino. eLife 7, e35987 (2018).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Rivera-Chávez, F. et al. El agotamiento de los clostridios productores de butirato de la microbiota intestinal impulsa una expansión luminal aeróbica de Salmonella. Microbio huésped celular 19, 443–454 (2016).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Dumitrescu, L. et al. El estrés oxidativo y el eje microbiota-intestino-cerebro. Óxido. Medicina. Celúla. Longev. 2018, 2406594 (2018).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Yardeni, T. y col. Las mitocondrias del huésped influyen en la diversidad del microbioma intestinal: un papel de las ROS. Ciencia. Señal. 12, eaaw3159 (2019).

Artículo PubMed Google Scholar

Jose, S., Bhalla, P. y Suraishkumar, GK El estrés oxidativo disminuye la relación redox y el contenido de folato en el microbio intestinal Enterococcus durans (MTCC 3031). Ciencia. Rep. 8, 12138 (2018).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hagan, T. y col. La perturbación del microbioma intestinal provocada por los antibióticos altera la inmunidad a las vacunas en humanos. Celda 178, 1313–1328.e13 (2019).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Million, M. & Raoult, D. Vinculación del redox intestinal con el microbioma humano. Tararear. Microbioma J. 10, 27–32 (2018).

Artículo de Google Scholar

Rivera-Chávez, F. & Bäumler, AJ El pirómano que llevas dentro: metabolismo de Salmonella en el intestino del huésped. Año. Rev. Microbiol. 69, 31–48 (2015).

Artículo PubMed Google Scholar

Kalantar-Zadeh, K. et al. Una prueba piloto en humanos de cápsulas electrónicas ingeribles capaces de detectar diferentes gases en el intestino. Nat. Electrón. 1, 79–87 (2018).

Artículo de Google Scholar

Steiger, C. y col. Monitoreo dinámico de biomarcadores sistémicos con sensores gástricos. Adv. Ciencia. 8, 2102861 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Archer, EJ, Robinson, AB & Süel, GM E. coli diseñadas para detectar y responder a la inflamación intestinal mediante la detección de óxido nítrico. Sintetizador ACS. Biol. 1, 451–457 (2012).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Rubens, JR, Selvaggio, G. & Lu, TK Cálculo de señales mixtas sintéticas en células vivas. Nat. Comunitario. 7, 11658 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Daeffler, KN y cols. Ingeniería de sensores bacterianos de tiosulfato y tetrationato para detectar inflamación intestinal. Mol. Sistema. Biol. 13, 923 (2017).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Annese, V. y col. Consenso europeo basado en la evidencia: enfermedad inflamatoria intestinal y neoplasias malignas. J. Crohn. Colitis 9, 945–965 (2015).

Artículo PubMed Google Scholar

Amir, A. et al. Temperatura ambiente, corrigiendo la proliferación microbiana en muestras fecales durante el envío. mSystems 2, e00199–16 (2017).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Raymond, F. y otros. Los microbiomas intestinales humanos enriquecidos con cultivos revelan genes de resistencia centrales y accesorios. Microbioma 7, 56 (2019).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Zmora, N. et al. La resistencia personalizada a la colonización de la mucosa intestinal a los probióticos empíricos se asocia con características únicas del huésped y del microbioma. Celda 174, 1388–1405.e21 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Jain, U. et al. Debaryomyces está enriquecido en el tejido intestinal de la enfermedad de Crohn y perjudica la curación en ratones. Ciencia 371, 1154-1159 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Courbet, A., Endy, D., Renard, E., Molina, F. & Bonnet, J. Detección de biomarcadores patológicos en muestras clínicas humanas mediante interruptores genéticos amplificadores y puertas lógicas. Ciencia. Traducción Medicina. 7, 289ra83 (2015).

Artículo PubMed Google Scholar

Kotula, JW y cols. Las bacterias programables detectan y registran una señal ambiental en el intestino de los mamíferos. Proc. Acad. Nacional. Ciencia. Estados Unidos 111, 4838–4843 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lim, B., Zimmermann, M., Barry, NA y Goodman, AL Los sistemas reguladores diseñados modulan la expresión genética de los comensales humanos en el intestino. Celda 169, 547–558.e15 (2017).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mimee, M., Tucker, AC, Voigt, CA y Lu, TK Programación de una bacteria comensal humana, Bacteroides thetaiotaomicron, para detectar y responder a estímulos en la microbiota intestinal murina. Sistema celular. 1, 62–71 (2015).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Riglar, DT et al. Las bacterias diseñadas pueden funcionar en el intestino de los mamíferos a largo plazo como diagnóstico vivo de inflamación. Nat. Biotecnología. 35, 653–658 (2017).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Pickard, JM y cols. La fucosilación rápida del epitelio intestinal mantiene la simbiosis huésped-comensal en la enfermedad. Naturaleza 514, 638–641 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Swain, P. Cápsula endoscópica inalámbrica. Gut 52 (suplemento 4), 48–50 (2003).

Google Académico

van der Schaar, PJ et al. Un novedoso dispositivo electrónico ingerible de administración y seguimiento de fármacos. Gastrointestinal. Endosc. 78, 520–528 (2013).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Din, MO y col. Interconexión de circuitos genéticos con microelectrónica a través de dinámicas de población diseñadas. Ciencia. Adv. 6, eaz8344 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mimee, M. y col. Un sistema electrónico bacteriano ingerible para monitorear la salud gastrointestinal. Ciencia 360, 915–918 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bass, DM, Prevo, M. & Waxman, DS Seguridad gastrointestinal de una forma farmacéutica oral de liberación prolongada e indeformable (OROS). Seguridad contra las drogas. 25, 1021-1033 (2002).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Isabella, VM et al. Desarrollo de un terapéutico bacteriano vivo sintético para la enfermedad metabólica humana fenilcetonuria. Nat. Biotecnología. 36, 857–864 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Bush, M., Ghosh, T., Tucker, N., Zhang, X. y Dixon, R. Regulación transcripcional mediante el sensor de óxido nítrico dedicado, NorR: una ruta hacia la desintoxicación de NO. Bioquímica. Soc. Trans. 39, 289–293 (2011).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Chen, XJ, Wang, B., Thompson, IP & Huang, WE Diseño racional y caracterización de biosensores de óxido nítrico en E. coli Nissle 1917 y mini SimCells. Sintetizador ACS. Biol. 10, 2566–2578 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Ceze, L., Nivala, J. & Strauss, K. Almacenamiento de datos digitales moleculares mediante ADN. Nat. Rev. Genet. 20, 456–466 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Beck, PL y cols. Papeles paradójicos de diferentes isoformas de óxido nítrico sintasa en la lesión del colon. Soy. J. Physiol. 286, 137-147 (2004).

Google Académico

Jiminez, JA, Uwiera, TC, Douglas Inglis, G. & Uwiera, RRE Modelos animales para estudiar la inflamación intestinal aguda y crónica en mamíferos. Patógeno intestinal. 7, 29 (2015).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Strand-Amundsen, RJ et al. Lesión por isquemia/reperfusión en intestino porcino: evaluación de viabilidad. Mundo J. Gastroenterol. 24, 2009-2023 (2018).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Lundberg, JON, Lundberg, JM, Alving, K. & Hellström, PM Gran aumento del óxido nítrico luminal en la colitis ulcerosa. Lanceta 344, 1673–1674 (1994).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Liu, X. y col. Hidrogeles vivos magnéticos para localización, retención y diagnóstico intestinal. Adv. Función. Madre. 31, 2010918 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Canción, M. et al. En 2020, Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido del IEEE 474–476 https://doi.org/10.1109/ISSCC19947.2020.9063083 (IEEE, 2020).

Krawczyk, K. y col. Liberación celular electrogenética de insulina para el control glucémico en tiempo real en ratones diabéticos tipo 1. Ciencia. 368, 993–1001 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Zhao, H. y col. Liberación rápida de insulina controlada mediante un botón autónomo desde un implante de células subcutáneas activado piezoeléctricamente. Ciencia. Adv. 8, 24 (2022).

Artículo de Google Scholar

Harimoto, T. y col. Un sistema de encapsulación programable mejora la administración de bacterias terapéuticas en ratones. Nat. Biotecnología. 40, 1259-1269 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Li, Z. y col. Encapsulación de probióticos inspirada en biopelículas para el tratamiento de infecciones complejas. Adv. Madre. 30, e1803925 (2018).

Artículo PubMed Google Scholar

Chen, W. y col. Hipoxia impulsada por bacterias dirigida a bioterapia combinada y terapia fototérmica. ACS Nano 12, 5995–6005 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Cao, Z., Wang, X., Pang, Y., Cheng, S. y Liu, J. El autoensamblaje biointerfacial genera bacterias recubiertas de membrana lipídica para mejorar la administración y el tratamiento oral. Nat. Comunitario. 10, 5783 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hu, Q. et al. Ingeniería de bacterias recubiertas de nanopartículas como vacunas orales de ADN para la inmunoterapia contra el cáncer. Nano Lett. 15, 2732–2739 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Vujkovic-cvijin, I. et al. Las variables del huésped confunden los estudios de microbiota intestinal sobre enfermedades humanas. Naturaleza 587, 448–454 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chiu, CY & Miller, SA Metagenómica clínica. Nat. Rev. Genet. 20, 341–355 (2019).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Steiger, C. y col. Electrónica ingerible para diagnóstico y terapia. Nat. Rev. Mater. 4, 83–98 (2019).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Ma, Y., Selby, N. y Adib, F. Cuidando los miles de millones: localización de banda ultraancha para etiquetas RFID implementadas. En Proc. MobiCom '17 https://doi.org/10.1145/3117811.3117833 (Asociación de Maquinaria de Computación, 2017).

Siuti, P., Yazbek, J. & Lu, TK Circuitos sintéticos que integran la lógica y la memoria en células vivas. Nat. Biotecnología. 31, 448–452 (2013).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Lloyd-Price, J., Abu-Ali, G. y Huttenhower, C. El microbioma humano sano. Genoma Med. 8, 51 (2016).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Inda, ME, Mimee, M. & Lu, TK Biosensores celulares para inmunología, inflamación y alergia. J. Allerg. Clínico. Inmunol. 144, 645–647 (2019).

Artículo de Google Scholar

Gibson, DG y col. Ensamblaje enzimático de moléculas de ADN de hasta varios cientos de kilobases. Nat. Métodos 6, 343–345 (2009).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Reinders, CI y cols. Óxido nítrico de la mucosa rectal en la diferenciación de la enfermedad inflamatoria intestinal y el síndrome del intestino irritable. Clínico. Gastroenterol. Hepatol. 3, 777–783 (2005).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por Leona M. y Harry B. Helmsley Charitable Trust (3239), Pew Charitable Trusts (para MEI-W.; 00030623) y Catalyst Foundation (para RTY, QL y MEI-W.; Secure Bio-Engineered Sensors para el Manejo de Enfermedades, subvención SAP nº 55208844). MJ contó con el apoyo del Instituto de Investigación Traslacional de Salud Espacial a través del Acuerdo Cooperativo NNX16AO69A. GT fue apoyado en parte por el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT y la Cátedra de Desarrollo Profesional Karl van Tassel (1925) del MIT. Parte de este material se basa en una investigación patrocinada por 711 Human Performance Wing (HPW) y Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) bajo el acuerdo número FA8650-21-2-7120. El gobierno de los EE. UU. está autorizado a reproducir y distribuir reimpresiones para fines gubernamentales independientemente de cualquier anotación de derechos de autor contenida en ellas. Las opiniones y conclusiones contenidas en este documento son las de los autores y no deben interpretarse como que representan necesariamente las políticas o respaldos oficiales, ya sean expresos o implícitos, de 711 Human Performance Wing (HPW) y Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) o los EE. UU. Gobierno.

Estos autores contribuyeron igualmente: ME Inda-Webb, M. Jimenez

Grupo de Biología Sintética, Centro de Biología Sintética del MIT, Departamento de Ingeniería Biológica, Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, MA, EE. UU.

ME Inda-Webb, Y. Lai y TK Lu

Laboratorio de Investigación en Electrónica, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, MA, EE. UU.

ME Inda-Webb, Y. Lai y TK Lu

Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, MA, EE. UU.

M. Jiménez, C. Steiger, A. Wentworth, K. Ishida, N. Fabian, J. Jenkins, J. Kuosmanen, W. Madani, A. Hayward y G. Traverso

Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer, Instituto Tecnológico de Massachusetts, Cambridge, MA, EE. UU.

, NV Phan , J Ahn , C Steiger , A Wentworth , K Ishida , N Fabian , J Jenkins , J Kuosmanen , W Madani , A Hayward y G Traverso

División de Gastroenterología, Hospital Brigham and Women's, Facultad de Medicina de Harvard, Boston, MA, EE. UU.

M. Jiménez, C. Steiger, A. Wentworth, K. Wong, K. Ishida, W. Madani, R. McNally, A. Hayward y G. Traverso

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad de Boston, Boston, MA, EE. UU.

Q. Liu, A. Riaz, T. Zirtiloglu y RT Yazicigil

División de Medicina Comparada, MIT, Cambridge, MA, EE. UU.

N. Fabián y A. Hayward

Departamento de Microbiología, División de Ciencias Biológicas y Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular, Universidad de Chicago, Chicago, IL, EE. UU.

M. Mimee

Dispositivos analógicos, Boston, MA, EE. UU.

P. Nadeau

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, MIT, Cambridge, MA, EE. UU.

AP Chandrakasan

Senti Biosciences, sur de San Francisco, California, EE. UU.

TK Lu

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

MEI-W., MJ, QL, NVP, CS, MM, PN, GT, RTY y TKL concibieron y diseñaron la investigación. MEI-W., MJ, QL, CS, AW, MM, PN, APC, GT, RTY y TKL conceptualizaron el factor de forma de píldora miniaturizada, incluida la integración de bacterias, componentes electrónicos y carcasas de píldoras. MEI-W. diseñó y realizó experimentos biológicos in vitro. QL, AR y TZ diseñaron y construyeron los circuitos electrónicos integrados. MEI-W. diseñó y realizó experimentos con ratones in vivo. MJ, JA, AW y KW desarrollaron el proceso de fabricación de las cápsulas y validaron su robustez in vitro, incluida la fijación de la membrana. MJ, AW, KW y RM generaron componentes de dispositivos impresos en 3D. MJ desarrolló y validó las películas entéricas independientes. MEI-W., MJ, QL, NVP, CS, AH y GT validaron los primeros prototipos. MJ, NVP, CS, KI, JJ, JK, AH y GT conceptualizaron y validaron el modelo animal del compartimento intestinal. KI, NF, JJ, JK, AH y WM llevaron a cabo la cría de animales y la anestesia de cerdos. MEI-W., MJ y QL probaron experimentalmente el funcionamiento de los dispositivos integrados in vitro e in vivo. MEI-W., MJ y QL realizaron un análisis formal de los datos. MEI-W., MJ, QL, JA, PN y RTY contribuyeron al análisis de datos de experimentos in vitro e in vivo de los dispositivos integrados. MEI-W., MJ, QL, NVP, JA, AW, PN y RTY contribuyeron a la visualización. MEI-W., MJ, QL, MM, PN, APC, GT, RTY y TKL escribieron el manuscrito. MEI-W., MJ, QL, PN, CS, AW, AH, GT y RTY gestionaron el progreso diario del proyecto y el personal. MEI-W. y TKL supervisó y gestionó la administración general del proyecto. RTY, GT supervisaron y gestionaron la financiación del proyecto relacionado con la electrónica integrada y las tripas de pastillas integradas y la cría de cerdos, respectivamente. MEI-W., MJ, NVP, CS, YL, MM, PN, APC, RTY, GT y TKL contribuyeron con la adquisición de fondos.

Correspondencia a G. Traverso, RT Yazicigil o TK Lu.

El MIT y la Universidad de Boston han presentado una solicitud de patente del Tratado de Cooperación en materia de Patentes (PCT) (WO/2022/232188) sobre biosensores ingeribles y métodos para su uso. TKL es cofundador de Senti Biosciences, Synlogic, Engine Biosciences, Tango Therapeutics, Corvium, BiomX, Eligo Biosciences y Bota.Bio. TKL también tiene intereses financieros en nest.bio, Ampliphi, IndieBio, MedicusTek, Quark Biosciences, Personal Genomics, Thryve, Lexent Bio, MitoLab, Vulcan y Serotiny. APC está en el directorio de Analog Devices. MJ consulta por VitaKey. Actualmente, CS trabaja en Bayer AG (Alemania). Los detalles completos de todas las relaciones con y sin fines de lucro para GT se pueden encontrar en https://www.dropbox.com/sh/szi7vnr4a2ajb56/AABs5N5i0q9AfT1IqIJAE-T5a?dl=0.

Nature agradece a Jeff Hasty y a los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de revisión por pares están disponibles.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Después de una agresión inflamatoria, las respuestas inmunes desproporcionadas de la mucosa a través de la señalización de citocinas conducen a la liberación de moléculas activas redox, como las especies reactivas de oxígeno (ROS) y el óxido nítrico (NO). El estrés oxidativo resultante inhibe el crecimiento microbiano en la luz intestinal. Sin embargo, la inflamación intestinal crónica daña el epitelio y destruye la barrera epitelial, permitiendo que los microbios intestinales invadan la mucosa. Las fuentes de tiosulfato (TS) en el tracto gastrointestinal son la cisteína y el sulfato derivados de la mucina, que se metabolizan a sulfuro de hidrógeno (H2S)19. Durante la ulceración, las células epiteliales y los glóbulos rojos ingresan al colon; estas células producen enzimas que convierten H2S en TS. En presencia de ROS, el TS se oxida a tetrationato (TT). El consumo de TT y sulfato permite que ciertos patógenos establezcan un punto de apoyo para la infección19,29, lo que provoca más respuestas inmunitarias. Estos mediadores de enfermedades son lábiles y no pueden medirse con la tecnología existente. Con sólo la información limitada que proporcionan los enfoques actuales, romper este ciclo de retroalimentación positiva es un desafío.

a, Curvas dosis-respuesta de circuitos genéticos sensores de NO en E. coli Nissle 1917. La fuerza de iniciación de la traducción de la recombinasa Bxb1 se varió mediante el uso de diferentes sitios de unión a ribosomas (RBS) diseñados computacionalmente. Las fortalezas previstas de RBS se enumeran en el recuadro. Una menor fuerza de RBS condujo a una mayor SNR. b, El circuito de memoria en los tres sensores de NO se mantuvo estable durante múltiples rondas de recrecimiento. Las bacterias diseñadas recolectadas en las heces se cultivaron en un medio selectivo para medir la detección de NO y el sistema de memoria se validó para determinar que reflejaba con precisión, durante múltiples rondas de cultivo, la información inicial. c, la expresión de GFP no afectó el crecimiento de bacterias cuando se compararon los estados ON y OFF. d, NO detección en anaerobiosis. e, Curso temporal de la activación del interruptor. El sistema de recombinasa desencadenó la expresión de GFP en cuestión de minutos (5 min para el sensor NO 1 y NO Sensor 2, 10 min para NO Sensor 3 y menos de 1 min para el sensor ROS) de exposición a la molécula objetivo. f, Correlación del número de células, tiempo y concentración para mostrar el rendimiento del sistema, (n = 3 por grupo). Las líneas representan la media. Los datos se representan como media ± SEM de tres réplicas biológicas independientes derivadas de experimentos de citometría de flujo (a – b, d – e), cada una de las cuales involucró n = 10,000 eventos.

a – c, Los sensores bacterianos se validaron para ROS H2O2, TS y TT in vitro (a, d) e in vivo (b – c), siguiendo el protocolo que se muestra en la Fig. 2. En presencia de H2O2, el El factor de transcripción OxyR se oxida y activa en E. coli. Para construir un biosensor de ROS que detectara H2O2, el gen de la recombinasa bxb1 se colocó bajo el control del promotor oxyS regulado por OxyR, oxySp, en el mismo circuito genético18 (panel a). Para construir los sensores TT y TS, buscamos superar la represión de oxígeno que puede afectar a los sensores dependientes del regulador de fumarato y nitrato reductasa (FNR), como el sistema de dos componentes TtrSR29 informado anteriormente. Los niveles de oxígeno fluctúan en el intestino, dependiendo del nivel de alteración del epitelio de la mucosa. Para evitar esta represión cruzada, utilizamos dos sensores recientemente identificados para expresar el sistema de recombinasa para detectar TS y TT: un sensor TT de Shewanella baltica, que no depende del sistema FNR, y el sensor ThsRS de Shewanella halifaxensis, el único Sensor TS genéticamente codificado caracterizado hasta el momento19. Ambos sensores distinguieron sus moléculas diana de otros aceptores terminales de electrones in vitro19. d, La reactividad cruzada de las bacterias diseñadas con NorR se probó contra ROS (H2O2), TT y TS en una serie de curvas dosis-respuesta (series de diluciones dobles del inductor con una concentración inicial de 0,1 mM, 1 mM y 10 mM respectivamente y 1 mM para el control positivo con DETA-NO). En (a y d), las líneas representan la media, los errores (SEM) se derivan de experimentos de citometría de flujo de tres réplicas biológicas representativas, cada una de las cuales involucró n = 10,000 eventos. En (bc) los puntos individuales representan réplicas biológicas independientes, n = 5 animales por grupo, y las barras (b), **p = 0,0091 (ROS, día 14), *p = 0,0243 (TT, día 10), ** *p = 0.0006 (TS, día 6), y las líneas (c) muestran la media con SEM, **p = 0.0011 (TS, día 6), **p = 0.0029 (ROS, día 10), *p = 0.0126 (ROS, día 14), **p = 0,0053 (TT, día 10), ANOVA de dos vías para comparaciones múltiples. e, Se evaluó el biosensor de NO para su uso como detector de estadio de enfermedad de NO. NorR, expresado constitutivamente a partir de una biblioteca de sitios de unión a ribosomas (RBS), exhibió diferentes umbrales de activación de NO. Los sensores de NO seleccionados (Sensores 1, 2 y 3) detectaron tres concentraciones (15, 30 y 80 uM), que podrían corresponder respectivamente a estados de inflamación leve, moderado y grave61. Basado en el sistema de recombinasa descrito en la Fig. 2a, se usó citometría de flujo para medir el porcentaje de células positivas para GFP en diferentes concentraciones de NO. Para cada punto, se traza la media de tres réplicas biológicas, cada una con n = 10.000 eventos de citometría de flujo. Las barras de error son el error estándar de la media (SEM).

a, Detección de NO mediante el biosensor de NO como marcador de inflamación gastrointestinal in vivo a lo largo del tiempo, n = 10 animales por grupo. Los datos se representan como media ± SEM, **p = 0,0012 (día 13), ***p = 0,0005 (día 6), ***p = 0,0002 (día 11), ****p < 0,0001 (día 9). ), ANOVA de dos vías para comparaciones múltiples. b, Validación independiente de la presencia de inflamación en el modelo de colitis DSS mediante la cuantificación de la expresión de iNOS durante el tratamiento con DSS, la pérdida de peso y el biomarcador lipocalina-2 (LCN-2), n = 10 animales por grupo. Los datos se representan como media ± SEM, ****p < 0,0001, prueba t de Student no apareada de dos colas. c, Puntuaciones histológicas de inflamación y necrosis, que indican la validez del modelo DSS. Se observaron otros indicadores, pero no se cuantificaron: heces blandas y con sangre, poco vigor, prolapso anal y acortamiento del colon tras la disección y el examen morfológico macroscópico. Las líneas representan la media. Las barras de error representan el SEM de réplicas biológicas independientes. d, Desequilibrio redox desencadenado por antibióticos medido por el sensor de NO. NO Sensor 2 nos permitió detectar una respuesta inflamatoria exacerbada después del tratamiento con antibióticos (carbenicilina y cloranfenicol) en un modelo de inflamación crónica DSS, lo que implica múltiples rondas de tratamiento DSS. Nuestro biosensor para NO muestra un aumento de la expresión de NO después de 4 y 20 a 30 días de tratamiento con antibióticos tanto en ratones sanos como en ratones tratados con DSS, con una activación significativa del interruptor el día 9 en los ratones tratados con DSS y el día 29 en los ratones crónicos. Modelo de inflamación DSS, especialmente alto para el ratón n.º 3. Muestras "DSS", n = 5 y muestras "Control", n = 5. *p = 0,0408, **p = 0,0038, ANOVA de dos vías para comparaciones múltiples. e, Control del % basal de GFP+ durante 4 días. Después de seis rondas de recrecimiento del Sensor 1 y del Sensor 2, la señal de fondo de las células no inducidas no continúa expandiéndose con el tiempo, lo que las valida para su uso en modelos animales. Se cultivaron bacterias diseñadas en un medio selectivo para medir la detección de NO, y el sistema de memoria se validó para determinar que reflejaba con precisión, durante múltiples rondas de cultivo (6 rondas, durante 4 días), la entrada inicial, n = 3 por grupo. Los datos se representan como media ± SEM. f, Validación del sensor en cerdos. Diseño experimental: se pinzaron los intestinos para separar los diferentes compartimentos (control versus tratado) y se colocaron sensores bacterianos en los diferentes compartimentos (panel izquierdo). Todos los sensores registraron una activación significativa en presencia de sus respectivos inductores (300 uM H2O2, 30 mM TS, 3 mM TT, panel derecho). Las bacterias se recogieron del intestino después de dos horas de exposición al analito y el porcentaje de células positivas para GFP se midió mediante citometría de flujo. Las líneas representan la media. Los errores (SEM) se derivan de experimentos de citometría de flujo de tres réplicas biológicas representativas, cada una de las cuales involucró n = 10.000 eventos. Aquí, mostramos datos de tres experimentos independientes (tres animales [M, U, T, K] en diferentes días, múltiples compartimentos por animal). ****p < 0,0001, ANOVA de dos vías para comparaciones múltiples.

a, Comparación del tamaño de productos electrónicos ingeribles y formas farmacéuticas sólidas con tasas de seguridad establecidas. La seguridad de los dispositivos ingeribles depende, en parte, de garantizar que no dañen, obstruyan ni queden retenidos en el tracto gastrointestinal. El diseño actual se construyó para ajustarse a las dimensiones y factores de forma de formas farmacéuticas sólidas con perfiles de seguridad y tasas de obstrucción/retención conocidos (Procardia XL)55. La integración de nuestro sistema a nivel bacteriano, electrónico y de carcasa de pastillas permitió una reducción significativa del tamaño en comparación con un prototipo informado anteriormente (>9 ml a <1,4 ml)34. b, Proceso de fabricación de envolturas de pastillas. Los espacios en blanco de las carcasas se imprimen en 3D mediante sinterización láser selectiva (Formlabs) con soportes solo en las caras superior e inferior para preservar las características de las paredes delgadas. Luego, las caras superior e inferior se lijan al tamaño adecuado. La membrana del filtro se corta a medida con un punzón y la película adhesiva de doble cara se corta con láser con orificios pasantes alineados con las cámaras. Después de presionar estas capas externas entre sí, las cámaras se llenan con suspensiones bacterianas desde el interior y se sellan con una fina película adhesiva transparente para producir una cámara bacteriana/carcasa unibody completamente sellada. Barra de escala = 5 mm.

a, Efecto de la membrana sobre la difusión del analito. Las membranas porosas, cuando se colocaron en las heces, no interfirieron con la detección de las moléculas objetivo. La contaminación de la membrana por materia fecal puede plantear un problema, por lo que también analizamos varios materiales de membrana, por ejemplo, polietersulfona (PES), policarbonato (PC) y fluoruro de polivinilideno (PVDF), para encontrar qué material permitía la mayor difusión del analito. moléculas a través de la membrana. Se probaron varias membranas porosas en células de Franz (recuadro a la derecha) en presencia de heces. Todas las membranas probadas mostraron resultados similares, con un porcentaje similar de detección de los sensores bacterianos de NO después de que el analito pasó a través de la membrana. Los errores (SEM) se derivan de experimentos de citometría de flujo de tres réplicas biológicas representativas, cada una de las cuales involucró n = 10.000 eventos. b – e, Fabricación y rendimiento de una pastilla protegida contra el ingreso de pH bajo, compatible con la ingestión. b, el cuerpo unibody ensamblado de carcasa de píldora/cámara puede proteger las bacterias del sensor contra el pH bajo durante el tránsito estomacal mediante la inclusión de una película hecha de un polímero entérico (L100-55) unida a través de una capa adhesiva (negra). c, La película entérica se endurece después de la exposición al líquido gástrico simulado (SGF), pero se disuelve después de una breve exposición (<1 hora) a pH neutro (PBS), lo que permite que las bacterias queden expuestas al entorno químico del intestino delgado. d, vista en primer plano (cuadrado rojo discontinuo en el panel b) de envolturas de píldoras con protección entérica que no muestran suciedad en la membrana después de la exposición a pH neutro (PBS). e, análisis del pH interno del fluido dentro de las cámaras de la carcasa colocando el contenido en papel de pH. Las dos primeras filas son puntos de control de los fluidos indicados. Las dos últimas filas son puntos de tres cámaras, cada una de una cápsula de píldora protegida o no protegida, expuesta a líquido gástrico simulado (SGF) durante 18 h. La leyenda inferior indica el pH correspondiente del cambio de color resultante.

a, Se cargaron envolturas de píldoras sin protección o con protección entérica con células bacterianas constitutivamente luminiscentes y se expusieron a líquido intestinal simulado (solo SIF, azul) o a una ingestión simulada con una exposición de 1 hora a líquido gástrico simulado con pH 1,2 (SGF+SIF). a 37 C. b. Al final de la exposición, se extrajo el contenido de la cámara interna y se midió la viabilidad mediante diluciones en serie y recuento de colonias. Como control, se resuspendió directamente un número equivalente de células en los fluidos de exposición (células libres) y se sedimentaron entre tratamientos. La viabilidad del stock de células común utilizado para cargar las envolturas de las píldoras y para el control de células libres se mantuvo refrigerada durante las exposiciones y también se midió su viabilidad. La media geométrica y los intervalos de confianza geométricos del 95 % se trazan sobre las cámaras replicadas individuales. N = 8 (4 cámaras x 2 casquillos de pastillas), pruebas t múltiples no apareadas (de dos colas), *p = 0,0253 (sin protección), *p = 0,0195 (células libres), (ns) no significativo. c, Al final de la exposición, también se registró la luminiscencia de las mismas cámaras (BioRad, ChemiDoc) desde el lado interior de las carcasas a través de la película de soporte ópticamente transparente. La luminiscencia total de la cámara se cuantificó (FIJI, Imagen J) y se dividió por el total de unidades formadoras de colonias (UFC) de la cámara del panel b. El límite de detección (LOD) se estableció en 2,5 veces la desviación estándar de la señal de fondo dividida por el valor de viabilidad más grande observado. Los valores por debajo del LOD se establecieron iguales al LOD y todos los valores se normalizaron para establecer el LOD = 1. La media geométrica y los intervalos de confianza geométricos del 95 % se trazan en la parte superior de las cámaras replicadas individuales. N = 8 (4 cámaras x 2 casquillos de pastillas). d, Imágenes utilizadas para la cuantificación de luminiscencia en el panel c.

a – b, los biosensores de E. coli Nissle se trataron con sus analitos objetivo en LB (a) o en líquido intestinal simulado (b). La respuesta de luminiscencia se midió en un lector de placas cada 3 min durante 10 h. La relación señal-ruido (SNR) se calculó dividiendo los valores de luminiscencia normalizados de OD600 inducidos por los valores de luminiscencia normalizados de OD600 de muestras no inducidas. c, Curva de respuesta de los biosensores inflamatorios con la lectura de luciferasa. Las cepas de sensores inflamatorios de E. coli Nissle se trataron con diversas concentraciones de sus analitos diana; Los valores máximos de luminiscencia se midieron treinta minutos a dos horas después de la exposición al inductor y se normalizaron con respecto a la densidad óptica del cultivo. Las líneas representan la media. Las barras de error representan el SEM de tres experimentos biológicos independientes. d, Detección de óxido nítrico (NO) y expresión de luciferasa en anaerobiosis, replicando el entorno intestinal. Los valores de luminiscencia se midieron aeróbicamente en un lector de placas después de un crecimiento aeróbico o anaeróbico durante la noche y la exposición al inductor (DETA-NO 1 mM) y se normalizaron a la densidad óptica del cultivo. Las líneas representan la media. Las barras de error indican el SEM de tres réplicas biológicas independientes.

a, Esquema de la PCB de la cápsula miniaturizada. El CI detector de bioluminiscencia personalizado se fabricó con tecnología CMOS de 65 nm2. La PCB superior contiene el detector de bioluminiscencia multicanal y multiplexado en el tiempo diseñado a medida, una batería de tipo botón de 6,8 mm x 2,1 mm, dos condensadores de desacoplamiento de 220 µF y un conector hembra de 8 posiciones. La PCB inferior contiene un microcontrolador con un transmisor integrado, un oscilador de cristal, un conector macho de 8 posiciones, una antena y otros componentes para la transmisión inalámbrica de datos. Los componentes de la PCB superior e inferior se comunican a través de los dos conectores. b – c, Caracterización in vitro del dispositivo para la detección inalámbrica miniaturizada de NO y ROS con biosensores basados en células. Señal inalámbrica a lo largo del tiempo de los sensores de NO (b) y ROS (c) encapsulados en el dispositivo e sumergidos en medios de crecimiento bacteriano suplementados con 5 mM y 20 mM, respectivamente. Los fotodiodos integrados CMOS de baja potencia convirtieron la bioluminiscencia emitida por el sensor bacteriano en una fotocorriente, que se convirtió en datos digitales cuantificables y se transmitió de forma inalámbrica al dispositivo externo. Las líneas representan la media y las barras de error indican el SEM para tres réplicas independientes, realizadas con un dispositivo inducido (NO o ROS) y un dispositivo no inducido (Buffer); Rel. fotocorriente, fotocorriente relativa.

a, b, Réplicas individuales de la detección de TT en el entorno intestinal del cerdo. Los dispositivos con el sensor TT se depositaron en los compartimentos intestinales y se inyectó TT (100 mM, azul) o tampón solo (negro) después de la estabilización de la temperatura (~ 15 min, 37 ° C). Las lecturas del dispositivo se recogieron de forma inalámbrica durante 120 minutos después de la deposición del dispositivo. El trazo oscuro representa la media de 3 mediciones repetidas (3 animales en días diferentes, 2 dispositivos por cerdo, en dos compartimentos diferentes) y los trazos pálidos indican los valores actuales individuales para un dispositivo determinado (dos canales medidos por dispositivo). Las fotocorrientes se proporcionan en relación con un valor de calibración único en t = 15 min. Las células sensoras no inducidas (líneas negras) disminuyen su producción de luminiscencia a lo largo del experimento (como se muestra in vitro, probado en fluido intestinal simulado, Datos ampliados, Fig. 8b), mientras que las células inducidas expresan niveles más altos de luciferasa, compensando la pérdida de señal con el tiempo. Para todas las réplicas, la respuesta del dispositivo colocado en el compartimento con TT se distinguió claramente de la del dispositivo en el compartimento con control de tampón. b, para mayor claridad, valores de fotocorriente individuales correspondientes a diferentes puntos de tiempo (15, 30, 60 y 120 min) para n = 3 o n = 5 muestras para diferentes conjuntos de condiciones, que incluyen: sensor TT + TT, sensor nulo + TT, sensor nulo + buffer y sensor TT + buffer. Los datos se representan como media ± SEM. c, Comparación de la detección de luz entre diferentes cámaras. Se cargaron en el dispositivo cepas de E. coli Nissle que contenían un circuito biosensor funcional para la detección de TT (sensor TT) y E. coli Nissle sin el gen de la luciferasa (sensor nulo). Los dispositivos se depositaron en los compartimentos intestinales y después de la estabilización de la temperatura (~15 min), se inyectaron TT (100 mM, azul) o tampón solo (negro). Los intestinos compartimentados se mantuvieron dentro del abdomen, a 37 °C, y se recogieron señales inalámbricas transmitidas desde el interior del abdomen durante 120 minutos para analizar la respuesta cinética de los dispositivos en la cavidad abdominal del cerdo. Fotocorrientes proporcionadas en relación con un valor de calibración único en t = 15 min. Las células sensoras no inducidas (líneas negras) disminuyen su producción de luminiscencia a lo largo del experimento (como se muestra cuando se prueban en líquido intestinal simulado, Datos ampliados, Fig. 8b), mientras que las células inducidas expresan niveles más altos de luciferasa que compensa la pérdida de señal con el tiempo. La respuesta del dispositivo colocado en el compartimento con TT se distinguió claramente de la del dispositivo en el compartimento con control de buffer. Las celdas nulas (trazas azul claro y gris) mantienen valores constantes en todo momento. Las barras de error indican SEM para tres experimentos (3 animales en días diferentes, 2 cápsulas por animal). d, Validación de todo el dispositivo integrado para biodetección inalámbrica miniaturizada en cerdos vivos a lo largo del tiempo. La característica operativa del receptor (ROC) del dispositivo que detecta TT alcanzó una sensibilidad y especificidad del 100% a los 120 min.

Figura complementaria 1. Figura que ejemplifica la estrategia de activación. Las estadísticas de cada población se incluyen en la parte inferior. Este archivo también contiene las tablas complementarias 2 y 3.

Este archivo contiene la Tabla complementaria 1.

Springer Nature o su licenciante (por ejemplo, una sociedad u otro socio) posee los derechos exclusivos de este artículo en virtud de un acuerdo de publicación con los autores u otros titulares de derechos; El autoarchivo por parte del autor de la versión manuscrita aceptada de este artículo se rige únicamente por los términos de dicho acuerdo de publicación y la ley aplicable.

Reimpresiones y permisos

Inda-Webb, ME, Jiménez, M., Liu, Q. et al. Cápsula de menos de 1,4 cm3 para la detección de biomarcadores inflamatorios lábiles in situ. Naturaleza (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06369-x

Descargar cita

Recibido: 10 de mayo de 2022

Aceptado: 26 de junio de 2023

Publicado: 26 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06369-x

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.

Noticias