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胃镜肠镜太痛苦 “片上细菌”芯片来帮忙

导读: MIT(美国麻省理工学院)研究人员打造了一款整合基因工程细菌的可摄入传感器,能够诊断胃出血或其它肠胃疾病。

胃镜肠镜太痛苦 “片上细菌”芯片来帮忙

MIT研究人员设计了一款可摄入“片上细菌”传感器,根据设定可以感知体内环境状况,并将信息传递给电子系统

据麦姆斯咨询报道,MIT(美国麻省理工学院)研究人员打造了一款整合基因工程细菌的可摄入传感器,能够诊断胃出血或其它肠胃疾病。

这款“片上细菌”方案将活体细胞制成的生物传感器,和超低功耗电子元件整合在一起,可将细菌响应转换成智能手机能够读取的无线信号。

“通过将工程生物传感器和低功耗无线电子器件结合在一起,我们可以几乎实时地检测体内的生物信号,为人类健康应用提供新的诊断手段。” MIT电气工程和计算机科学以及生物工程助理教授Timothy Lu介绍说。

在这项近日在Science《科学》线上发表的研究成果中,研究人员开发了一款能够响应血红素(血液中的一种成分)的传感器,并通过在猪身上的试验证实有效。他们还设计了一款能够响应炎症标记物分子的传感器。

这项研究的高级作者包括Lu和麻省理工学院工程学院院长Anantha Chandrakasan,以及电气工程和计算机科学教授Vannevar Bush,主要作者包括研究生Mark Mimee和MIT前博士后Phillip Nadeau。

无线通讯

胃镜肠镜太痛苦 “片上细菌”芯片来帮忙

这款传感器的横截面图、电路系统图以及正面和背面图,材料:PDMS,聚二甲基硅氧烷

过去的十年来,合成生物学家在细菌工程研究领域取得了很大进展,以响应诸如环境污染物或疾病标志物等刺激。这些工程细菌可以经过设计,当探测到目标刺激时做出发光等响应,但是过去需要特定的实验室设备才能测量这些响应。

为了使这些细菌更具实用价值,MIT研究团队决定将它们和电子芯片整合在一起,将细菌响应转译为无线信号。

“我们的想法是将细菌细胞封装在器件中,”Nadeau说,“这些细胞会被限制在器件中随着一起通过肠胃。”

对于他们最初的验证实验,研究人员主要研究了消化道出血的检验。他们设计了一种益生菌菌株来表达一种基因电路,使细菌遇到血红素时会发光。

研究人员将这些细胞安放在专门定制设计的传感器的4个空腔中,并用半渗透膜覆盖,以使周围环境中的小分子可以扩散通过。这4个空腔下方都各有一个光电晶体管,可以测量细菌细胞的发光量,并将信息传递至微处理器,然后通过无线信号发送至附近的计算机或智能手机。研究人员还为其开发了一款安卓应用程序(App),用于数据的分析。

这款传感器外形为一根长约1.5英寸的圆柱体,功耗大约13微瓦。研究人员为这款传感器配备了一个2.7伏的电池,他们估计利用这个电池可以维持传感器连续运行约1.5个月。据研究人员表示,这款传感器还可以使用Nadeau和Chandrakasan之前开发的,由胃内酸性液体维持的伏打电化学电池供电。

“这项研究的主要工作在于系统设计和集成,将强大的细胞传感和超低功耗电子器件结合在一起,实现重要的健康传感应用。” Chandrakasan说。

疾病诊断

MIT研究人员在猪身上测试了这款可摄入传感器,实验证实这款传感器能够准确地确定胃中是否有出血现象。他们预计这类传感器既可以一次性使用,也可以经过设计留存在消化道中,连续检测数天或数周,不断地发出检测信号。

目前,如果患者怀疑出现胃溃疡出血,他们不得不接受内窥镜检查来确诊,由于过程痛苦,通常许多患者需要注射镇静剂。

“这款传感器的目标是帮助病人规避非必需的检查,仅通过摄入胶囊传感器,在相对较短的时间内就可以知道患者是否出现了内出血症状。”Mimee说。

为了使这项技术方便患者使用,研究人员计划进一步减小传感器的尺寸,并研究细菌细胞可以在消化道内存活多久。他们还希望可以开发除了出血以外的其它胃肠疾病检测。

在论文中,研究人员还将上述传感器应用于另外两种分子的检测,不过目前他们还没有在动物身上进行试验。其中一种传感器,可以探测被称为硫代硫酸盐的与炎症有关的含硫离子,可用于监测克罗恩氏病或其他炎症的患者;另一种传感器可探测被称为AHL的细菌信号分子,由于不同类型的细菌可以产生细微差异的分子,因此这种分子可作为一种胃肠道感染的标记物。

“论文中的大部分工作都与血液有关,但是相信我们可以设计各种细菌来感知一切,并使其做出发光响应,” Mimee说,“任何人都可以尝试针对疾病相关分子的感知,对细菌进行工程设计,然后将它们放入传感器的其中一个空腔中,便可以用于该疾病的检测。”

研究人员称,这款传感器也可以设计携带多种细菌菌株,使他们能够诊断多种病症。

“目前,我们的传感器设计了4个检测空腔,但是如果我们将其扩展到16或256个空腔,就拥有了更多不同类型的细菌细胞,可以同时读取它们的信号,实现高通量的疾病筛查。”Nadeau说。

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