导读
近日，美国麻省理工学院的研究人员开发出一种可摄取的传感器，它配备了基因工程细菌，能诊断胃出血或者其他胃肠道问题。
背景
如今，医疗电子技术的发展可谓日新月异。过去的医疗电子设备往往体积笨重，造价昂贵，只能存放于实验室中，需要专业技术人员才能操作，经过很长时间才能得到检测结果。随着半导体、无线通信、物联网、新材料等技术的进一步发展，医疗电子设备呈现出了小型化、便携化、低成本、低功耗等新的发展趋势。
例如，便携式、可穿戴、植入式等新型医疗电子设备不断出现。除了这些设备之外，可摄取的医疗电子设备，例如可摄取的内窥镜、胃起搏器、给药器等，也非常值得关注。相比于胃镜肠镜等传统的消化道检查设备，可摄取的医疗电子设备具有小巧、廉价、微创等优势。美国麻省理工学院（MIT）在这方面取得了丰硕的研究成果，下面带大家回顾一下：
1）微型麦克风硅酮胶囊传感器，可以检测心率和呼吸频率。
（图片来源: Albert Swiston / MIT林肯实验室）
2）由胃酸提供能量的新型电池，可以为小型医疗传感器或给药设备供电，并能够在肠道驻留更长时间。
（图片来源：MIT）
3）可卷起并吞食的柔性传感器，能粘附于胃壁和肠壁，测量消化道的节奏性收缩。
（图片来源：MIT）
创新
今天，让我们继续来关注美国麻省理工学院在可摄取的医疗电子设备方面取得的新进展。近日，MIT 研究人员开发出一种可摄取的传感器，它装备了基因工程细菌，能诊断胃出血或者其他胃肠道问题。
（图片来源： Lillie Paquette/MIT）
这种“芯片上的细菌”（bacteria-on-a-chip）方案将活细胞制成的传感器与超低功耗电子器件相结合，通过超低功耗电子器件将细菌的响应转化为智能手机可以读取的无线信号。
在这项研究中，研究人员设计出能对血液中的血红素作出反应的传感器，并展示该传感器可以在猪身体上工作。此外，他们也设计出了能对炎症标记物分子作出反应的传感器。
5月24日，这项研究的相关论文发表于《科学》杂志网络版。Lu 与麻省理工学院工学院院长、电气工程与计算机科学系教授 Anantha Chandrakasan 都是这篇论文的高级作者。论文的领导作者是研究生 Mark Mimee 和前麻省理工学院博士后研究员 Phillip Nadeau。
技术
过去十年来，在对于环境污染物或者疾病标志物的刺激作出反应的工程细菌研究方面，合成生物学家已经取得了巨大进步。当这些细菌检测到目标刺激时，可以产生诸如光线等输出，但是测量这些响应通常需要专门的实验室设备。
为了使得这些细菌更适合真实世界的应用，MIT 团队决定将它们与电子芯片相结合，因为电子芯片可以将细菌的响应转化为无线信号。
在最初的演示中，研究人员主要关注了胃肠道出血。他们设计了大肠杆菌的益生菌菌株来表达基因电路。当细菌遇到血红素时，这种基因电路会使得细菌激发光。
他们将细菌安放到传感器上的四个井中，并由半透膜覆盖。周围环境中的小分子能够扩散通过这种半透膜。每个井的下面有一个光电晶体管，用于测量细菌细胞产生的光线量，并将信息传递至微处理器，然后微处理器会将无线信号发送至邻近的计算机或者智能手机。同时，他们也设计了一个安卓应用程序，用于分析数据。
（图片来源：MIT）
（图片来源：MIT）
（图片来源：MIT）
这种传感器外形是一个长1.5英寸的圆柱，功率是13微瓦。研究人员为传感器装备了2.7伏的电池，他们估计，这个电池可维持设备一个半月的连续运行。他们说，采用Nadeau 和 Chandrakasan之前开发的技术，即通过胃中的酸性液体提供能量的伏打电池也可以为这个设备供电。
（图片来源：MIT）
研究人员在猪身上测试了这种可摄取的传感器，结果显示它可以正确地判断猪胃中有没有出血。他们预测，这种传感器既可以一次性使用，也可以在消化道中存留几天或几周，持续发送信号。
目前，如果病人被怀疑出现胃溃疡出血，他们就必须经受内窥镜检查，而这通常会需要病人接受镇静。
Mimee 表示：“这种传感器的目标就是，你将可以通过服用胶囊，避免不必要的手术，并在相对较短的时间内，了解是否出血。”
论文中，研究人员改变了之前描述的传感器，使之适应其他两种分子，但是目前他们还没有在动物身上进行测试。其中一种传感器可以检测称为“硫代硫酸盐”的含硫离子，这种离子与炎症相关，可帮助监测克罗氏病或者其他炎症。另外一种传感器可以检测称为“AHL”的细菌信号分子，它可以作为胃肠道感染的标志物，因为不同的细菌会产生稍有不同的分子版本。
Mimee 表示：“这篇论文中，我们开展的大部分工作都与血液相关，毫无疑问你将可以设计细菌来感知任何东西，并产生对其作出响应的光线。如果有人想要用细菌来感知疾病相关的分子，可以将它放进某一个井中，然后就可以工作了。”
价值
麻省理工学院电气工程与计算机科学系和生物工程系副教授 Timothy Lu 表示：“我们通过将人造的生物传感器与低功耗无线电子器件结合到一起，几乎可以实时地检测人体内的生物信号，从而为人类健康应用开启新的诊断能力。”
Chandrakasan 表示：“这项研究的重点在于系统设计和集成，将细菌感知的能力与超低功耗电路相结合，实现重要的健康感知应用。”
未来
为了将这项技术推进到让患者使用，研究人员计划降低传感器的尺寸，并研究在消化道中细菌细胞可以存活多久。除了检测出血，他们也希望开发能检测其他胃肠疾病的传感器。
研究人员称，传感器可设计成携带多个细菌菌株，从而可以诊断多种疾病。Nadeau 表示：“目前，我们拥有四个检测点，如果你将它扩展到16个或者256个，那么你可以拥有多种不同类型的细胞，并且可以将它们同时全部读出，从而带来更高通量的筛选技术。”
关键字
传感器、医疗、电子、生物、芯片
参考资料
【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 Bulović, 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
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