麻省理工学院的研究人员研制出一种可摄入传感器，内含经过基因工程改造的细菌，可诊断胃部出血或其他胃肠道问题。
这种“芯片上的细菌”方案将活细胞制成的传感器与超低功耗电子元件结合起来，把细菌的响应转换为可由智能手机读取的无线信号。
“通过将工程化生物传感器与低功耗无线电子设备相结合，我们能够检测人体内的生物信号，并近乎实时地获取信号，从而为人类健康应用带来新的诊断能力。”麻省理工学院电气工程与计算机科学系及生物工程系副教授蒂莫西·卢说。
在这项新研究中，研究人员制作了能够响应血红素（血液的一种成分）的传感器，并证明它们在猪身上能够工作。研究结果刊载于5月24日在线版的《科学》。他们还设计了能够响应一种炎症标志物分子的传感器。
卢和麻省理工学院工程学院院长、电气工程与计算机科学系范内瓦·布什教授阿南塔·钱德拉卡桑是该研究的资深作者。主要作者为研究生马克·米米和麻省理工学院前博士后菲利普·诺多。
无线通信
过去十年间，合成生物学家在改造细菌以响应环境污染物或疾病标志物等刺激方面取得了长足进展。这些细菌经过设计后，可在检测到目标刺激时产生光等输出，但测量这种响应通常需要专门的实验室设备。
为了让这些细菌更适用于实际应用，麻省理工学院团队决定将它们与电子芯片结合，把细菌的响应转换为无线信号。
“我们的想法是把细菌细胞封装在一个设备内，”诺多说。“设备经过胃部时，细胞会被留在里面，随设备一路通过。”
在最初的演示中，研究人员重点研究了胃肠道出血。他们对一种益生菌菌株大肠杆菌进行了基因工程改造，使其表达一种遗传线路，让细菌在遇到血红素时发光。
他们将细菌放入定制传感器的四个孔中，并用半透膜覆盖。半透膜允许周围环境中的小分子扩散通过。每个孔的下方都有一个光电晶体管，可测量细菌细胞产生的光量，并将信息传给微处理器；微处理器再向附近的计算机或智能手机发送无线信号。研究人员还开发了一款可用于分析数据的安卓应用。
该传感器呈圆柱形，长度约为1.5英寸，所需功率约为13微瓦。研究人员为传感器配备了一块2.7伏电池；他们估计，这块电池可为设备连续供电约1.5个月。他们表示，也可以利用胃内酸性液体维持的伏打电池为设备供电，所用技术是诺多和钱德拉卡桑此前开发的。
“这项工作的重点是系统设计与集成，将细菌传感的优势与超低功耗电路相结合，以实现重要的健康传感应用。”钱德拉卡桑说。
疾病诊断
研究人员在猪身上测试了这种可摄入传感器，结果表明它能够正确判断胃中是否有血。他们预计，这类传感器既可一次性使用，也可设计成在消化道内停留数天或数周，并持续发送信号。
目前，如果怀疑患者有胃溃疡出血，就必须通过内镜检查来诊断，而检查通常需要对患者进行镇静。
“这种传感器的目标是让人只需吞下胶囊，就能避免不必要的检查，并在相对较短的时间内知道是否发生了出血。”米米说。
为了推动这项技术用于患者，研究人员计划缩小传感器的尺寸，并研究细菌细胞能在消化道内存活多久。他们还希望开发用于诊断出血以外胃肠道疾病的传感器。
在《科学》论文中，研究人员改造了此前描述过的传感器，使其能够检测另外两种分子；目前，他们尚未在动物身上测试这些传感器。其中一种传感器可检测一种含硫离子——硫代硫酸根，它与炎症有关，可用于监测克罗恩病或其他炎症性疾病患者。另一种传感器可检测一种名为AHL的细菌信号分子。由于不同类型的细菌会产生略有差异的该分子，因此它可作为胃肠道感染的标志物。
“论文中的大部分工作都与血液有关，但从理论上说，可以通过改造细菌，让它们感知任何物质并对此产生发光响应，”米米说。“任何试图改造细菌以感知疾病相关分子的人，都可以把相应设计放进这些孔中的一个，就能直接使用。”
研究人员表示，还可以设计能容纳多种细菌菌株的传感器，从而诊断多种疾病。
“目前我们有四个检测位点，但如果能扩展到16个或256个，就可以容纳多种不同类型的细胞，并并行读取所有信号，从而实现更高通量的筛查。”诺多说。
这项研究由德州仪器、香港创新及科技基金、美国海军研究办公室、美国国家科学基金会、微生物组信息学与治疗中心、布莱根妇女医院、高通创新奖学金以及加拿大自然科学与工程研究委员会资助。芯片由台积电大学合作计划提供制造支持。
