MIT設計出用於檢測疾病的可食用「細菌膠囊」

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近日，MIT的工程師們設計出一種裝載細菌的可食用感測器，這些細菌經過基因改造，能夠診斷胃出血以及其他胃腸道問題。

這種「片上細菌」技術將由活細胞製成的感測器和超低功耗電子元件結合起來，將細菌的反應轉化為智能手機可讀取的無線信號。

MIT計算機科學以及生物工程學副教授Timothy Lu說：「通過將生物工程感測器與低功耗無線電子元件結合的方式，我們可以實時地探測身體內部的生物信號，使這可以成為一種診斷人類健康情況的新技術。」

這項研究於近日已發表在《Science》上。研究人員製造出的這種感測器能夠對血紅素產生反應，並且在豬身上證實了這種方法的可行性。他們還設計了能對一種炎症標誌物分子反應的感測器。

Anantha Chandrakasan是MIT工程學院的主任，也是電子工程和計算機科學教授，他和Lu是這項研究的高級作者。第一作者是研究生Mark Mimee和MIT的博士後Phillip Nadeau。

無線通信

在過去十年中，合成生物學家們已經在細菌工程方面取得了很大進展。使細菌能對環境中的污染物或疾病標誌物做出反應。這些細菌可以被設計成在檢測到目標刺激物時產生諸如光的輸出，但是通常需要專門的實驗室設備來測量這種響應。

為了使這些細菌對於現實世界來說更加實用，MIT的團隊將它們與電子晶元結合起來，將細菌的反應轉化為無線信號。

Nadeau說：「我們的想法是，將細菌細胞打包到一個裝置中，並隨著這個裝置通過胃部繼續前行。」

在最初的演示中，研究人員們關注於胃腸道出血。他們設計了一種大腸桿菌益生菌菌株來表達一種基因迴路，使該細菌遇到血紅素的時候能夠發光。

他們將細菌放置於定製的感測器的四個孔中，並用半透膜覆蓋，使周圍環境中的小分子可以擴散進來。在每個小孔中，有一個可以測量細菌細胞產生光量的光電晶體管，並將信息傳遞給微處理器，微處理器能夠向附近的電腦或智能手機發送無線信號。研究人員還專門開發了一款安卓APP來分析數據。

這種感測器是一個1.5英尺長的柱體，功率為13微瓦特。研究人員為這種感測器配備了一個2.7伏的電池，持續使用的話大約可以堅持1.5個月。他們說，它也可以利用由胃酸性液體維持的原電池來供電。Nadeau和Chandrakasan在過去開發過這種技術。

圖片來源：《Science》

Chandrakasan說：「這項研究的重點是系統設計和集成，將細菌的感知能力和低功耗電路技術結合起來，實現重要的健康感知應用。」

診斷疾病

研究人員測試了豬的可攝入感測器，並發現這種感測器能夠準確地檢測到胃中是否出血。他們期望，這種感測器既可以作為一次性使用，也可以在消化道中停留數天甚至數周，來持續發送信號。

圖片來源：《Science》

目前，如果醫生懷疑患者因胃潰瘍而導致出血，他們必須接受胃鏡來檢查，而胃鏡檢查的過程非常痛苦。

Mimee 說：「這個感測器的目的是使人們避免不必要的檢查手段，而只需要吞下一個膠囊就行了，可以在相對短的時間內知道自己身體內部是否出血。」

為了將該技術用於患者，研究人員計劃減少感測器的尺寸，並研究細菌細胞在消化道內可以存活多久。他們還希望開發出檢測出血之外的其他胃腸道問題的感測器。

在這篇論文中，研究人員將他們過去開發的用於檢測另外兩種分子的感測器進行了調整，之前的感測器並沒有進行動物測試。其中一種感測器能夠檢測硫代硫酸鹽，這是一種與炎症有關的物質，該感測器可以被用於監測克羅恩氏病及其他炎症疾病的患者。另外一種感測器能夠檢測名為AHL的細菌信號分子，AHL能夠作為胃腸道感染疾病的標記，因為不同種類細菌產生的分子存在些許不同。

Mimee說：「我們在這篇論文中描述的大部分工作都與血液相關，但是可以想像，我們可以改造細菌使其能夠檢測到任何東西並發光作為響應。任何想要改造細菌使其能夠檢測到與疾病相關的分子的人都可以將這些細菌放置於感測器的小孔中，然後就可以開始了。」

研究人員稱，這些感測器還可以攜帶多種細菌，使它們能夠檢測多種疾病。

Nadeau說：「現在，我們擁有四個檢測位點，但是如果將這些位置擴展至16或256，那麼我們就可以放置更多不同種類的細菌細胞，並同時通過它們讀取信息，實現更高效的篩選。」

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