研究人员设计了一种新的方法，可以深入了解消化系统内部的情况，他们制造了一种可吞咽的传感器，在工程细菌和微型电路的帮助下，可以检测出可能预示疾病的分子，然后将结果传输到智能手机应用程序。
这种设备在猪身上得到了验证，目前仍是一个原型，需要在人体使用之前进行改进。但研究人员在《科学》杂志上报告了他们的工作，他们将合成生物学和微电子学的创新相结合，创建了一个模块化平台，可以适应识别各种分子。
麻省理工学院的生物工程师、该论文的资深作者蒂莫西·卢博士说：“我们希望尝试阐明和提供对不易接近的领域的理解。”
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胃肠道内含有大量的代谢物，科学家们希望这些代谢物可以揭示消化系统黑暗处发生的事情。例如，这些分子可以提供有关系统何时失控的线索，或者可能开辟一种诊断疾病的新方法。但专家们缺乏深入探测的工具，尤其是在内窥镜等工具无法触及的系统部分。
莱斯大学的生物工程师杰夫·塔博说：“那里正在发生许多重要的生物学和健康相关通路，我们没有真正好的技术来观察肠道内部并测量那里的化学物质。”他没有参与这项研究。
研究人员一直在尝试改造细菌，使其在目标分子存在的情况下以某种方式被触发。但是，如果将细菌部署到胃肠道中，它们通常无法向外部的人发出它们遇到的情况的信号。这就像发现了失落的亚特兰蒂斯城，却意识到你没有办法告诉任何人你发现了什么或你在哪里发现的它。
塔博在谈到新的传感器系统时说：“将数据传回是一个挑战，因此拥有一种方便、非常实用的策略来让细菌告诉我们它们所看到的东西非常重要。我认为这对于解决这个问题来说是一个很好的解决方案。”
这种新工具——研究团队称之为可摄入的微型生物电子设备，或 IMBED——将工程细菌放入被半透膜覆盖的孔中，将细菌细胞保持在内部，但欢迎代谢物进入。
如果选择的分子滤入并遇到细菌，细菌细胞会产生光，光会被嵌入在小型电子芯片中的光电探测器接收。然后，电子系统可以将信号发送到智能手机应用程序，就像探矿者在发现石油时尖叫一样。
论文中描述的设备大约为 10 毫米 x 30 毫米——大约是两个一角硬币并排的长度——研究人员已经为这项技术申请了专利，他们表示希望将其缩小到大约三分之一的大小以供人们使用。专家指出，携带摄像头或监测温度的药丸已经在使用中，因此这种方法并不那么科幻。
澳大利亚莫纳什大学的彼得·吉布森和丽贝卡·伯格尔在一篇随附研究的评论文章中写道：“这有可能解锁大量关于身体结构和功能、其与环境的关系以及疾病和治疗干预措施的影响的信息。”
作为概念验证，研究人员展示了该系统可以在猪的胃肠道出血模型中检测到血红素分子。在部署后两小时内，该设备能够以 100% 的准确率区分出患有模拟胃肠道出血的猪和对照组。
研究人员设想调整细菌，使其能够识别一系列代谢物。该设备还有四个孔，每个孔大约可以容纳一百万个细菌细胞，因此有可能在每个孔中放置不同的细菌生物传感器来检测不同的分子。
麻省理工学院的研究生、该研究的主要作者马克·米梅说：“我们可以进化这些生命系统，使其可以感知任何生物标记。”
没有参与这项工作的研究人员指出了生物传感器在临床应用中需要改进的几个方面。首先，医生需要能够追踪该设备，以便他们可以知道当它检测到目标分子时它在肠道中的确切位置。传感器还需要能够快速拾取代谢物，以便它可以在被转移到胃肠道的另一部分之前发出信号。
吉布森和伯格尔以及塔博还指出了另一个挑战：科学家们尚未确定他们应该寻找哪些生物标志物作为不同疾病的信号。因此，除了磨练这项 21 世纪的技术之外，研究人员仍然需要对我们古老的生物学有更深入的了解。
经 STAT 许可转载。本文最初于 2018 年 5 月 24 日发表在STAT