可攝取的感測器：能診斷胃出血！

導讀

近日，美國麻省理工學院的研究人員開發出一種可攝取的感測器，它配備了基因工程細菌，能診斷胃出血或者其他胃腸道問題。

背景

如今，醫療電子技術的發展可謂日新月異。過去的醫療電子設備往往體積笨重，造價昂貴，只能存放於實驗室中，需要專業技術人員才能操作，經過很長時間才能得到檢測結果。隨著半導體、無線通信、物聯網、新材料等技術的進一步發展，醫療電子設備呈現出了小型化、便攜化、低成本、低功耗等新的發展趨勢。

例如，攜帶型、可穿戴、植入式等新型醫療電子設備不斷出現。除了這些設備之外，可攝取的醫療電子設備，例如可攝取的內窺鏡、胃起搏器、給葯器等，也非常值得關注。相比於胃鏡腸鏡等傳統的消化道檢查設備，可攝取的醫療電子設備具有小巧、廉價、微創等優勢。美國麻省理工學院（MIT）在這方面取得了豐碩的研究成果，下面帶大家回顧一下：

1）微型麥克風硅酮膠囊感測器，可以檢測心率和呼吸頻率。

（圖片來源: Albert Swiston / MIT林肯實驗室）

2）由胃酸提供能量的新型電池，可以為小型醫療感測器或給葯設備供電，並能夠在腸道駐留更長時間。

（圖片來源：MIT）

3）可捲起并吞食的柔性感測器，能粘附於胃壁和腸壁，測量消化道的節奏性收縮。

（圖片來源：MIT）

創新

今天，讓我們繼續來關注美國麻省理工學院在可攝取的醫療電子設備方面取得的新進展。近日，MIT 研究人員開發出一種可攝取的感測器，它裝備了基因工程細菌，能診斷胃出血或者其他胃腸道問題。

（圖片來源： Lillie Paquette/MIT）

這種「晶元上的細菌」（bacteria-on-a-chip）方案將活細胞製成的感測器與超低功耗電子器件相結合，通過超低功耗電子器件將細菌的響應轉化為智能手機可以讀取的無線信號。

在這項研究中，研究人員設計出能對血液中的血紅素作出反應的感測器，並展示該感測器可以在豬身體上工作。此外，他們也設計出了能對炎症標記物分子作出反應的感測器。

5月24日，這項研究的相關論文發表於《科學》雜誌網路版。Lu 與麻省理工學院工學院院長、電氣工程與計算機科學系教授 Anantha Chandrakasan 都是這篇論文的高級作者。論文的領導作者是研究生 Mark Mimee 和前麻省理工學院博士後研究員 Phillip Nadeau。

技術

過去十年來，在對於環境污染物或者疾病標誌物的刺激作出反應的工程細菌研究方面，合成生物學家已經取得了巨大進步。當這些細菌檢測到目標刺激時，可以產生諸如光線等輸出，但是測量這些響應通常需要專門的實驗室設備。

為了使得這些細菌更適合真實世界的應用，MIT 團隊決定將它們與電子晶元相結合，因為電子晶元可以將細菌的響應轉化為無線信號。

在最初的演示中，研究人員主要關注了胃腸道出血。他們設計了大腸桿菌的益生菌菌株來表達基因電路。當細菌遇到血紅素時，這種基因電路會使得細菌激發光。

他們將細菌安放到感測器上的四個井中，並由半透膜覆蓋。周圍環境中的小分子能夠擴散通過這種半透膜。每個井的下面有一個光電晶體管，用於測量細菌細胞產生的光線量，並將信息傳遞至微處理器，然後微處理器會將無線信號發送至鄰近的計算機或者智能手機。同時，他們也設計了一個安卓應用程序，用於分析數據。

（圖片來源：MIT）

（圖片來源：MIT）

（圖片來源：MIT）

這種感測器外形是一個長1.5英寸的圓柱，功率是13微瓦。研究人員為感測器裝備了2.7伏的電池，他們估計，這個電池可維持設備一個半月的連續運行。他們說，採用Nadeau 和 Chandrakasan之前開發的技術，即通過胃中的酸性液體提供能量的伏打電池也可以為這個設備供電。

（圖片來源：MIT）

研究人員在豬身上測試了這種可攝取的感測器，結果顯示它可以正確地判斷豬胃中有沒有出血。他們預測，這種感測器既可以一次性使用，也可以在消化道中存留幾天或幾周，持續發送信號。

目前，如果病人被懷疑出現胃潰瘍出血，他們就必須經受內窺鏡檢查，而這通常會需要病人接受鎮靜。

Mimee 表示：「這種感測器的目標就是，你將可以通過服用膠囊，避免不必要的手術，並在相對較短的時間內，了解是否出血。」

論文中，研究人員改變了之前描述的感測器，使之適應其他兩種分子，但是目前他們還沒有在動物身上進行測試。其中一種感測器可以檢測稱為「硫代硫酸鹽」的含硫離子，這種離子與炎症相關，可幫助監測克羅氏病或者其他炎症。另外一種感測器可以檢測稱為「AHL」的細菌信號分子，它可以作為胃腸道感染的標誌物，因為不同的細菌會產生稍有不同的分子版本。

Mimee 表示：「這篇論文中，我們開展的大部分工作都與血液相關，毫無疑問你將可以設計細菌來感知任何東西，併產生對其作出響應的光線。如果有人想要用細菌來感知疾病相關的分子，可以將它放進某一個井中，然後就可以工作了。」

價值

麻省理工學院電氣工程與計算機科學系和生物工程系副教授 Timothy Lu 表示：「我們通過將人造的生物感測器與低功耗無線電子器件結合到一起，幾乎可以實時地檢測人體內的生物信號，從而為人類健康應用開啟新的診斷能力。」

Chandrakasan 表示：「這項研究的重點在於系統設計和集成，將細菌感知的能力與超低功耗電路相結合，實現重要的健康感知應用。」

未來

為了將這項技術推進到讓患者使用，研究人員計劃降低感測器的尺寸，並研究在消化道中細菌細胞可以存活多久。除了檢測出血，他們也希望開發能檢測其他胃腸疾病的感測器。

研究人員稱，感測器可設計成攜帶多個細菌菌株，從而可以診斷多種疾病。Nadeau 表示：「目前，我們擁有四個檢測點，如果你將它擴展到16個或者256個，那麼你可以擁有多種不同類型的細胞，並且可以將它們同時全部讀出，從而帶來更高通量的篩選技術。」

關鍵字

感測器、醫療、電子、生物、晶元

參考資料

【1】http://news.mit.edu/2018/ingestible-bacteria-on-a-chip-help-diagnose-disease-0524

【2】Mark Mimee, Phillip Nadeau, Alison Hayward, Sean Carim, Sarah Flanagan,
Logan Jerger, Joy Collins, Shane McDonnell, Richard Swartwout, Robert J.
Citorik, Vladimir Bulovi?, Robert Langer, Giovanni Traverso, Anantha P.
Chandrakasan, Timothy K. Lu. An ingestible bacterial-electronic system to monitor gastrointestinal health. Science, 2018; 360 (6391): 915 DOI: 10.1126/science.aas9315

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！