Una píldora electrónica para investigar el aparato digestivo

Investigadores del MIT crean un dispositivo para mejorar el diagnóstico de enfermedades

Científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han creado una cápsula que se ingiere y transmite información sobre el estado de salud a medida que recorre el aparato digestivo.

El dispositivo, como un submarino en miniatura que explora el interior del cuerpo humano, transmite sus registros de manera inalámbrica a un teléfono móvil. Según sus inventores, podría sustituir en el futuro a algunas de las exploraciones médicas que se hacen actualmente con endoscopia. De este modo, se evitarían los costes y las molestias asociados a las endoscopias –que consisten en explorar el interior del cuerpo introduciendo un tubo equipado con una cámara o una lente–, y se podría monitorizar el tracto digestivo en toda su extensión.

El primer prototipo se ha ensayado con éxito en cerdos, en los que ha detectado la presencia anómala de sangre en el estómago. Según los resultados presentados esta semana en la revista Science, la cápsula también puede detectar moléculas inflamatorias e infecciones.

En los próximos meses los investigadores del MIT tienen previsto reducir el tamaño de la cápsula, que ahora mide unos tres centímetros de longitud por uno de diámetro, para que sea fácil de tragar. Los primeros ensayos clínicos en personas podrían iniciarse “dentro de uno o dos años”, declaró el martes en rueda de prensa telefónica Timothy Lu, codirector de la investigación.

El avance se ha basado en combinar, en una misma cápsula, tecnologías de la biología sintética y de la microelectrónica. La biología sintética ha permitido identificar moléculas relevantes en el interior del aparato digestivo. Una vez detectadas estas moléculas, la microelectrónica ha permitido transmitir la información al exterior del orga- nismo. En el Centro de Biología Sintética del MIT donde trabaja Timothy Lu se han modificado bacterias genéticamente para convertirlas en biosensores. Para garantizar que sean inocuas, se ha recurrido a bacterias E. coli de la cepa Mutaflor, que se utilizan como probióticos desde hace décadas y que no tienen ningún efecto adverso conocido.

Los investigadores las han modificado para que interactúen con la molécula que querían detectar. En este caso, han elegido el grupo hemo, que forma parte de la hemoglobina de la sangre. “El sangrado gastrointestinal está relacionado con numerosas enfermedades, desde úlceras gástricas hasta la enfermedad inflamatoria intestinal y el cáncer colorrectal”, señaló en la rueda de prensa Mark Mimee, coprimer autor de la investigación, que ha desarrollado el componente biológico de la cápsula

“Hemos creado lo que llamamos un circuito genético”, explicó Mimee, de modo que, cuando las bacterias entran en contacto con un grupo hemo, se les activa un gen que produce una proteína que emite luz. El componente electrónico, desarrollado en el departamento de ingeniería eléctrica y de computación del MIT, se encarga de captar la débil luz emitida por las bacterias y convertirla en una señal inalámbrica que pueda ser detectada desde el exterior del cuerpo. Para ello, ha sido necesario equipar la cápsula con un chip, una batería y una antena.

“Lo realmente significativo es que hemos conseguido captar esta débil bioluminescencia con una cápsula pequeña sin ningún cable y con una potencia eléctrica de nanovatios. Hemos demostrado que se puede hacer con limitaciones muy estrictas de espacio y de potencia”, declaró Phillip Nadeau, coprimer autor responsable de la parte electrónica.

El prototipo de la cápsula desarrollado en la investigación es de tamaño similar al de las cápsulas endoscópicas que están equipadas con una cámara y que se utilizan actualmente para diagnosticar enfermedades del aparato digestivo. Pero las cámaras endoscópicas, que también miden alrededor de tres centímetros de longitud por uno de diámetro, se limitan al diagnóstico por la imagen, mientras que la nueva cápsula desarrollada en el MIT amplía la exploración a las alteraciones bioquímicas.

Un problema adicional que debían resolver los investigadores es que la cápsula debe estar bien aislada para evitar que la humedad del interior del cuerpo dañe sus com-

ponentes o distorsione las mediciones. Al mismo tiempo, deben poder entrar en su interior las moléculas que se buscan. “Empezamos a colaborar con el laboratorio de materiales del MIT, que nos ayudó a encontrar un recubrimiento que evita el problema de la humedad”, explicó Nadeau. Asimismo, la cápsula va equipada con una membrana que permite la entrada de pequeñas moléculas del aparato digestivo pero evita la salida de las bacterias que lleva en su interior.

Una vez resueltos todos estos problemas, los investigadores crearon una app para registrar la información transmitida por la cápsula desde teléfonos móviles.

Finalmente, iniciaron una colaboración con gastroenterólogos del hospital Brigham and Women’s de Boston para ensayar la cápsula en animales, como paso previo a ensayarla en el futuro en personas. En los estudios realizados en cerdos, la cápsula ha detectado con éxito la presencia de sangre en el aparato digestivo.

El avance “tiene el potencial de revelar una enorme cantidad de información sobre la estructura y el funcionamiento del cuerpo, sobre su relación con el entorno y sobre el impacto de las enfermedades y de las intervenciones terapéuticas”, destacan Peter Gibson y Rebecca Burgell, gastroenterólogos del hospital Alfred de Melbourne (Australia) que no han participado en la investigación.

En otro artículo publicado en

Science, Gibson y Burgell señalan que “la comprensión del tracto digestivo es limitada”, debido a que no se puede observar el interior del cuerpo en tiempo real para ver cómo funciona. “Los biosensores en forma de cápsulas [permiten] acceder al tracto gastrointestinal sin perturbarlo fisiológicamente”.

Sin embargo, advierten, habrá que descubrir qué moléculas hay que buscar en el aparato digestivo para que la cápsula se convierta en una herramienta útil. Dado que el aparato digestivo aún se conoce de manera insuficiente, muchas de estas moléculas no están identificadas. “El reto futuro es encontrar la aplicación apropiada para esta tecnología”, afirman Gibson y Burgell.

Según los investigadores del MIT, se pueden combinar en una misma cápsula bacterias para detectar distintas moléculas. Por ahora, han diseñado bacterias que detectan el ion tiosulfato, que está relacionado con la inflamación y podría ser útil para monitorizar a personas con enfermedad de Crohn y otros trastornos inflamatorios intestinales. Asimismo, han diseñado bacterias que detectan la molécula AHL, que es un marcador de infecciones bacterianas.

Las primeras cápsulas tienen cuatro compartimentos para alojar cuatro tipos de bacterias y poder detectar así cuatro moléculas distintas al mismo tiempo. “Pero estos biosensores son modulares. [...] Lo podríamos extender a 16 o 256” para realizar un análisis más completo con cada cápsula, señala Phillip Nadeau.

Preguntados por el precio que podría tener la cápsula, los investigadores del MIT destacaron en la rueda de prensa que todos los componentes que han utilizado son asequibles. “Como biosensores utilizamos células vivas que son muy baratas de producir. Los semiconductores también son bastante baratos”, explicó Mark Mimee. “Pensamos que el dispositivo sería relativamente low-cost, del orden de unas decenas o tal vez unos cientos de dólares”.

PREVISIÓN DE FUTURO

La cápsula podría sustituir a algunas exploraciones que se hacen con endoscopia

CALENDARIO DE TRABAJO

Los investigadores prevén iniciar ensayos en personas en un plazo de dos años

POTENCIAL CIENTÍFICO

Es una herramienta para entender mejor el funcionamiento interno del cuerpo humano