合成生物大牛开发“细菌胶囊”掀起智能手机诊断新时尚

配备了基因工程细菌的胶囊可用于胃出血或其他肠道问题诊断。这款由活细胞传感器和超低功率微型电子器件组成的可摄入诊断工具能将人体内细菌反应转化为在智能手机上可读取的无线信号。

　　

“我们现在可以用它实时监测人体内的生物信号，”麻省理工学院电子工程、计算机科学以及生物工程系副教授（卢冠达）Timothy Lu说。

5月24日，《Science》杂志在线报道了Lu教授课题组的新发明。Lu教授和工程学院院长Anantha Chandrakasan博士是文章的通讯作者，研究生Mark Mimee和MIT前博后学者Phillip Nadeau是本文的第一作者。

该传感器被设计成能响应血液标志物血红素，并发出荧光，他们在大型哺乳动物猪身上证明了组合传感器的有效性，同时，还另外设计了对炎症标志物有反应的其他传感器。

无线通信

“这项工作的关键是系统设计和将细菌传感能力与超低功率电路结合的集成策略，”Chandrakasan说。

过去十年，合成生物学家在针对环境污染和疾病标志物工程菌方面做出了巨大贡献。这些细菌被设计成遇到特定标志物刺激就输出光信号。但是，检测细菌反应通常需要专业的实验室设备，这限制了各种生物感应器的应用场景。

“我们的想法是，将细菌包装在一个容器内，当容器通过胃部，内部细菌就能一路捕获目标标志物，”Nadeau说。

他们首先创建表达特定基因电路的有益大肠杆菌。最初的研究重点是检验消化道出血，因此，细菌在遇到血红素后立即表达发光蛋白。

他们把细菌放在一种被半透膜覆盖的定制传感器上，这种膜可以允许周围小分子透过，不会泄露细菌。在盛放细菌的4个小皿下面是一个光电晶体管，用于测量细菌的产光量，并将数据传递给微处理器，再通过无线电发送给附近的计算机或智能手机。研究人员专门开发了一款Android应用程序用来分析这些数据。

传感器总长仅约3.8厘米，运行功率约13微瓦。研究人员为它配备了一个2.7伏的电池，他们估计电池可以提供1.5个月的续航能力。他们表示，利用Nadeau和Chandrakasan之前开发的技术，该设备还可以使用胃酸提供能量。

诊断疾病

目前，如果医生怀疑病人有胃溃疡出血，只能利用内镜确诊。这种检验方法需要让病人保持镇静。

内窥镜

“细菌胶囊”

研究人员在猪体内测试了新型可摄入传感器，结果显示它能正确地判断动物胃中是否有血液存在。根据需要，它可被设计成一次性使用或保留在消化道内数天或数周发送连续信号。

“现在你只需吞一颗胶囊，在相对较短的时间内就能看到你的胃部是否存在出血事件，”Mimee说。

《Science》文中，研究人员还描述了检验另外两种分子的传感器，但还未在动物身上进行试验。其中一种传感器被设计成识别硫代硫酸盐（thiosulfate），这种分子与炎症有关，可用于监测Crohn氏病等出现炎症症状的患者。另一种被设计成识别AHL分子，这种分子是一种胃肠道感染标志物，不同类型的细菌所生产的AHL仅略有不同。

除了设计检验出血以外的肠道疾病传感器，研究人员计划进一步缩小传感器尺寸，鉴定细菌在消化道的存活时间。

“今后，任何感知疾病特征的工程细菌都可滴入这些设备，然后就能马上使用了，”Mimee说。鉴于传感器可被设计成携带多种细菌，它们的应用前景非常广阔。

“现在我们只设计了4个检测孔，如果将其扩展到16个或256个，那么它就能携带更多类型细胞，并行读取体内信息，从而实现更高通量的筛选，”Nadeau说。

原文检索：An ingestible bacterial-electronic system to monitor gastrointestinal health

（生物通：伍松）