麻省理工学院的工程师们设计了一种可摄取的传感器，该传感器配备了能够感知环境条件并将信息传递到电子线路上的细菌程序。
携带基因工程菌的超低功率传感器可以检测胃出血。
Anne Trafton | MIT News Office
May 24, 2018
http://news.mit.edu/2018/ingestible-bacteria-on-a-chip-help-diagnose-disease-0524
麻省理工学院的研究人员已经建立了一个可摄取的传感器，该传感器配有基因工程菌，能诊断胃出血或其他胃肠疾病。
这种“芯片上的细菌”方法将由活细胞制成的传感器与超低功耗电子元件结合起来，将细菌的反应转化为可以通过智能手机读取的无线信号。
“通过将工程生物传感器与低功率无线电子设备相结合，我们可以检测人体内的生物信号，并且几乎是实时的，从而为人类健康应用提供了新的诊断能力。”麻省理工学院电子工程、计算机科学和生物工程副教授 Timothy Lu。
在5月24日发表在《科学》在线版上的这项新研究中，研究人员创造了一种传感器，能对血红素（血液的一种成分）做出反应，并在猪身上做了实验，结果显示它们在猪身上工作。他们还设计了传感器，可以对炎症标志分子作出反应。
麻省理工学院工程学院院长Lu和Vannevar Bush电气工程和计算机科学教授 Anantha Chandrakasan，是这篇论文的高级作者。主要作者是研究生Mark Mimee和前麻省理工学院博士后Phillip Nadeau。
无线电通信
在过去的十年中，合成生物学家在工程细菌对环境污染物或疾病标志物等刺激的反应方面取得了很大的进展。这些细菌可以被设计成在探测到目标刺激时产生光等输出，但通常需要专门的实验室设备来测量这种反应。
为了让这些细菌对真实世界的应用更有用，MIT团队决定将它们与能够将细菌反应转化为无线信号的电子芯片结合起来。
Nadeau说：“我们的想法是将细菌细胞包装在一个设备中。”“这些细胞会被困住，在设备穿过胃部的过程中继续前行。”
在最初的演示中，研究人员把重点放在消化道出血上。他们设计了一个大肠杆菌的益生菌株来表达一种基因电路，这种基因电路使细菌在遇到血红素时发光。
他们把细菌放在他们定制的传感器上的四个槽里，槽上覆盖着一层半透膜，允许周围环境中的小分子通过。在每个槽的下面有一个光电晶体管，它可以测量细菌细胞产生的光量，并将信息传递给微处理器，该微处理器向附近的电脑或智能手机发送无线信号。研究人员还开发了一款Android应用，可以用来分析数据。
传感器是一个约1.5英寸长的圆柱体，需要大约13微瓦的能量。研究人员为传感器配备了一个2.7伏特的电池，他们估计这种电池可以连续使用大约1.5个月。他们说，它也可以由胃酸液维持的伏打电池供电，使用的技术是Nadeau 和Chandrakasan之前开发的。
“这项工作的重点是系统设计和集成，以结合细菌感应的力量和超低功率电路，以实现重要的健康感应应用，”Chandrakasan说。
诊断疾病
研究人员测试了猪的可摄取传感器，并证明它可以正确地确定胃中是否有血液存在。他们预计，这种类型的传感器既可以一次性使用，也可以设计成在消化道停留数天或数周，发出连续的信号。
目前，如果患者被怀疑是胃溃疡出血，他们必须接受胃镜检查以诊断问题，这通常需要患者服用镇静剂。
Mimee说：“这个传感器的目标是，你只需吞下胶囊，就可以绕过不必要的程序，在相对较短的时间内，你就能知道胃里是否发生了胃溃疡出血。”
为了帮助将这项技术应用到病人身上，研究人员计划缩小传感器的尺寸，并研究细菌细胞在消化道中的存活时间。他们还希望开发除出血以外的胃肠疾病的传感器。
在《科学》杂志的论文中，研究人员对之前描述的另外两个分子的传感器进行了改编，它们还没有在动物身上进行测试。其中一个传感器检测到硫代硫酸根离子，它与炎症有关，可用于监测克罗恩病或其他炎症状态的患者。另一种是检测一种叫做AHL的细菌信号分子，它可以作为胃肠道感染的一个标志，因为不同类型的细菌产生的分子略有不同。
“我们在论文中所做的大部分工作都与血液有关，但可以想象，你可以设计细菌来感知任何事物，并对其产生光反应，”Mimee说。“任何试图让细菌感应疾病的分子的人都可以把它插入其中一个槽里，然后它就可以运行了。”
研究人员说，这些传感器也可以设计成携带多种菌株的细菌，使他们能够诊断各种不同的情况。
Nadeau说：“目前，我们有四个检测点，但如果你能把检测点扩展到16或256个，那么你就可以拥有多种不同类型的细胞，并且能够同时读取这些所有细胞，从而进行更多的高通量筛选。”
该研究由Texas仪器公司、香港创新和技术基金、海军研究办公室、国家科学基金会、微生物学和治疗学中心、Brigham妇女医院、高通创新奖学金以及加拿大自然科学和工程委员会资助。芯片制造由 TSMC大学穿梭计划提供。
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