Los investigadores de Caltech han desarrollado un prototipo de dispositivo médico en miniatura que podría ser utilizado en última instancia en «píldoras inteligentes» para diagnosticar y tratar enfermedades. Una clave de la nueva tecnología -y lo que la hace única entre otros dispositivos médicos a microescala- es que su ubicación se puede identificar con precisión dentro del cuerpo, algo que resultó desafiante antes.
«El sueño es que vamos a tener dispositivos microscale que están vagando por nuestros cuerpos y ya sea diagnosticando problemas o arreglando cosas» dice Azita Emami, Andrew y Peggy Cherng Profesor de Ingeniería Eléctrica e Ingeniería Médica e Investigador del Instituto de Investigación Médica del Patrimonio, que co-dirigió la investigación junto con el Profesor Asistente de Ingeniería Química e Investigador del Instituto de Investigación Médica Heritage, Mikhail Shapiro. «Antes de ahora, uno de los desafíos era que era difícil saber dónde están en el cuerpo.» Un artículo que describe el nuevo dispositivo aparece en la edición de septiembre de la revista Nature Biomedical Engineering. El autor principal es Manuel Monge (MS ’10, PhD ’17), que fue un estudiante de doctorado en el laboratorio de Emami y un Rosen Bioengineering Center Scholar en Caltech, y ahora trabaja en una empresa llamada Neuralink. Audrey Lee-Gosselin, una técnica de investigación en el laboratorio de Shapiro, también es autora.
Llamados ÁTOMOS, que es la abreviatura de transmisores direccionables operados como espines magnéticos, los nuevos dispositivos de chip de silicio toman prestado de los principios de la resonancia magnética (RM), en la que la ubicación de los átomos en el cuerpo de un paciente se determina utilizando campos magnéticos. Los microdispositivos también se encuentran en el cuerpo utilizando campos magnéticos, pero en lugar de depender de los átomos del cuerpo, los chips contienen un conjunto de sensores integrados, los resonadores, y la tecnología de transmisión inalámbrica que les permitiría imitar las propiedades de resonancia magnética de los átomos.
«Un principio clave de la RMN es que un gradiente de campo magnético hace que los átomos en dos lugares diferentes resuenen en dos frecuencias diferentes, lo que facilita saber dónde están», dice Shapiro. «Queríamos encarnar este principio elegante en un circuito integrado compacto. Los dispositivos ATOMS también resuenan a diferentes frecuencias dependiendo de dónde se encuentren en un campo magnético.»
«Queríamos hacer este chip muy pequeño con bajo consumo de energía, y que viene con una gran cantidad de desafíos de ingeniería,» dice Emami. «Tuvimos que equilibrar cuidadosamente el tamaño del dispositivo con la cantidad de energía que consume y lo bien que su ubicación se puede señalar.»
Los investigadores dicen que los dispositivos todavía son preliminares, pero que un día podrían servir como guardianes robóticos en miniatura de nuestros cuerpos, monitoreando el tracto gastrointestinal, la sangre o el cerebro de un paciente. Los dispositivos podrían medir factores que indican la salud de un paciente –como el pH, la temperatura, la presión, las concentraciones de azúcar– y transmitir esa información a los médicos. O, los dispositivos podrían incluso ser instruidos para liberar drogas.
«Podrías tener docenas de dispositivos microscópicos viajando por el cuerpo tomando medidas o interviniendo en enfermedades. Todos estos dispositivos pueden ser idénticos, pero los dispositivos ATOMS le permitirán saber dónde están todos y hablar con todos ellos a la vez», dice Shapiro. Lo compara con la película de ciencia ficción de 1966 Fantastic Voyage, en la que un submarino y su tripulación son reducidos a tamaño microscópico e inyectados en el torrente sanguíneo de un paciente para curarlo desde el interior, pero, como dice Shapiro, «en lugar de enviar un solo submarino, podrías enviar una flotilla.»
La idea de ATOMS surgió en una cena. Shapiro y Emami estaban discutiendo sus respectivos campos -las células de los ingenieros de Shapiro para las técnicas de imagen médica, como la resonancia magnética, y Emami crea microchips para la detección médica y la realización de acciones en el cuerpo- cuando tuvieron la idea de combinar sus intereses en un nuevo dispositivo. Sabían que localizar microdispositivos en el cuerpo era un desafío de larga data en el campo y se dieron cuenta de que combinar el conocimiento de Shapiro en la tecnología de resonancia magnética con la experiencia de Emami en la creación de microdispositivos podría potencialmente resolver el problema. Monge se alistó para ayudar a realizar la idea en forma de un chip de silicio.
«Este chip es totalmente único: no hay otros chips que operan con estos principios», dice Monge. «Integrar todos los componentes juntos en un dispositivo muy pequeño, manteniendo la potencia baja era una gran tarea.» Monge hizo esta investigación como parte de su tesis doctoral, que fue recientemente honrada con el Premio Charles Wilts por el Departamento de Ingeniería Eléctrica de Caltech.
El chip prototipo final, que se probó y demostró que funciona en ratones, tiene una superficie de 1,4 milímetros cuadrados, 250 veces más pequeño que un centavo. Contiene un sensor de campo magnético, antenas integradas, un dispositivo de alimentación inalámbrica y un circuito que ajusta su señal de radiofrecuencia en función de la intensidad del campo magnético para transmitir de forma inalámbrica la ubicación del chip.
«En la RMN convencional, todas estas características se encuentran intrínsecamente en los átomos», dice Monge. «Tuvimos que crear una arquitectura que las imitara funcionalmente para nuestro chip.»
