MIT研究人員設(shè)計了一款可攝入“片上細(xì)菌”傳感器，根據(jù)設(shè)定可以感知體內(nèi)環(huán)境狀況，并將信息傳遞給電子系統(tǒng)
據(jù)麥姆斯咨詢報道，MIT（美國麻省理工學(xué)院）研究人員打造了一款整合基因工程細(xì)菌的可攝入傳感器，能夠診斷胃出血或其它腸胃疾病。
這款“片上細(xì)菌”方案將活體細(xì)胞制成的生物傳感器，和超低功耗電子元件整合在一起，可將細(xì)菌響應(yīng)轉(zhuǎn)換成智能手機能夠讀取的無線信號。
“通過將工程生物傳感器和低功耗無線電子器件結(jié)合在一起，我們可以幾乎實時地檢測體內(nèi)的生物信號，為人類健康應(yīng)用提供新的診斷手段，” MIT電氣工程和計算機科學(xué)以及生物工程助理教授Timothy Lu介紹說。
在這項近日在Science《科學(xué)》線上發(fā)表的研究成果中，研究人員開發(fā)了一款能夠響應(yīng)血紅素（血液中的一種成分）的傳感器，并通過在豬身上的試驗證實有效。他們還設(shè)計了一款能夠響應(yīng)炎癥標(biāo)記物分子的傳感器。
這項研究的高級作者包括Lu和麻省理工學(xué)院工程學(xué)院院長Anantha Chandrakasan，以及電氣工程和計算機科學(xué)教授Vannevar Bush，主要作者包括研究生Mark Mimee和MIT前博士后Phillip Nadeau。
這款傳感器的橫截面圖、電路系統(tǒng)圖以及正面和背面圖，材料：PDMS，聚二甲基硅氧烷
過去的十年來，合成生物學(xué)家在細(xì)菌工程研究領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展，以響應(yīng)諸如環(huán)境污染物或疾病標(biāo)志物等刺激。這些工程細(xì)菌可以經(jīng)過設(shè)計，當(dāng)探測到目標(biāo)刺激時做出發(fā)光等響應(yīng)，但是過去需要特定的實驗室設(shè)備才能測量這些響應(yīng)。
為了使這些細(xì)菌更具實用價值，MIT研究團(tuán)隊決定將它們和電子芯片整合在一起，將細(xì)菌響應(yīng)轉(zhuǎn)譯為無線信號。
“我們的想法是將細(xì)菌細(xì)胞封裝在器件中，”Nadeau說，“這些細(xì)胞會被限制在器件中隨著一起通過腸胃。”
對于他們最初的驗證實驗，研究人員主要研究了消化道出血的檢驗。他們設(shè)計了一種益生菌菌株來表達(dá)一種基因電路，使細(xì)菌遇到血紅素時會發(fā)光。
研究人員將這些細(xì)胞安放在專門定制設(shè)計的傳感器的4個空腔中，并用半滲透膜覆蓋，以使周圍環(huán)境中的小分子可以擴散通過。這4個空腔下方都各有一個光電晶體管，可以測量細(xì)菌細(xì)胞的發(fā)光量，并將信息傳遞至微處理器，然后通過無線信號發(fā)送至附近的計算機或智能手機。研究人員還為其開發(fā)了一款安卓應(yīng)用程序（App），用于數(shù)據(jù)的分析。
這款傳感器外形為一根長約1.5英寸的圓柱體，功耗大約13微瓦。研究人員為這款傳感器配備了一個2.7伏的電池，他們估計利用這個電池可以維持傳感器連續(xù)運行約1.5個月。據(jù)研究人員表示，這款傳感器還可以使用Nadeau和Chandrakasan之前開發(fā)的，由胃內(nèi)酸性液體維持的伏打電化學(xué)電池供電。
“這項研究的主要工作在于系統(tǒng)設(shè)計和集成，將強大的細(xì)胞傳感和超低功耗電子器件結(jié)合在一起，實現(xiàn)重要的健康傳感應(yīng)用，” Chandrakasan說。
疾病診斷
MIT研究人員在豬身上測試了這款可攝入傳感器，實驗證實這款傳感器能夠準(zhǔn)確地確定胃中是否有出血現(xiàn)象。他們預(yù)計這類傳感器既可以一次性使用，也可以經(jīng)過設(shè)計留存在消化道中，連續(xù)檢測數(shù)天或數(shù)周，不斷地發(fā)出檢測信號。
目前，如果患者懷疑出現(xiàn)胃潰瘍出血，他們不得不接受內(nèi)窺鏡檢查來確診，由于過程痛苦，通常許多患者需要注射鎮(zhèn)靜劑。
“這款傳感器的目標(biāo)是幫助病人規(guī)避非必需的檢查，僅通過攝入膠囊傳感器，在相對較短的時間內(nèi)就可以知道患者是否出現(xiàn)了內(nèi)出血癥狀，”Mimee說。
為了使這項技術(shù)方便患者使用，研究人員計劃進(jìn)一步減小傳感器的尺寸，并研究細(xì)菌細(xì)胞可以在消化道內(nèi)存活多久。他們還希望可以開發(fā)除了出血以外的其它胃腸疾病檢測。
在論文中，研究人員還將上述傳感器應(yīng)用于另外兩種分子的檢測，不過目前他們還沒有在動物身上進(jìn)行試驗。其中一種傳感器，可以探測被稱為硫代硫酸鹽的與炎癥有關(guān)的含硫離子，可用于監(jiān)測克羅恩氏病或其他炎癥的患者；另一種傳感器可探測被稱為AHL的細(xì)菌信號分子，由于不同類型的細(xì)菌可以產(chǎn)生細(xì)微差異的分子，因此這種分子可作為一種胃腸道感染的標(biāo)記物。
“論文中的大部分工作都與血液有關(guān)，但是相信我們可以設(shè)計各種細(xì)菌來感知一切，并使其做出發(fā)光響應(yīng)，” Mimee說，“任何人都可以嘗試針對疾病相關(guān)分子的感知，對細(xì)菌進(jìn)行工程設(shè)計，然后將它們放入傳感器的其中一個空腔中，便可以用于該疾病的檢測。”
研究人員稱，這款傳感器也可以設(shè)計攜帶多種細(xì)菌菌株，使他們能夠診斷多種病癥。
“目前，我們的傳感器設(shè)計了4個檢測空腔，但是如果我們將其擴展到16或256個空腔，就擁有了更多不同類型的細(xì)菌細(xì)胞，可以同時讀取它們的信號，實現(xiàn)高通量的疾病篩查，”Nadeau說。