研究人員設計了一種新的方法，可以深入瞭解消化系統內部的情況，他們製造了一種可吞嚥的感測器，在工程細菌和微型電路的幫助下，可以檢測出可能預示疾病的分子，然後將結果傳輸到智慧手機應用程式。
這種裝置在豬身上得到了驗證，目前仍是一個原型，需要在人體使用之前進行改進。但研究人員在《科學》雜誌上報告了他們的工作，他們將合成生物學和微電子學的創新相結合，建立了一個模組化平臺，可以適應識別各種分子。
麻省理工學院的生物工程師、該論文的資深作者蒂莫西·盧博士說：“我們希望嘗試闡明和提供對不易接近的領域的理解。”
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胃腸道內含有大量的代謝物，科學家們希望這些代謝物可以揭示消化系統黑暗處發生的事情。例如，這些分子可以提供有關係統何時失控的線索，或者可能開闢一種診斷疾病的新方法。但專家們缺乏深入探測的工具，尤其是在內窺鏡等工具無法觸及的系統部分。
萊斯大學的生物工程師傑夫·塔博說：“那裡正在發生許多重要的生物學和健康相關通路，我們沒有真正好的技術來觀察腸道內部並測量那裡的化學物質。”他沒有參與這項研究。
研究人員一直在嘗試改造細菌，使其在目標分子存在的情況下以某種方式被觸發。但是，如果將細菌部署到胃腸道中，它們通常無法向外部的人發出它們遇到的情況的訊號。這就像發現了失落的亞特蘭蒂斯城，卻意識到你沒有辦法告訴任何人你發現了什麼或你在哪裡發現的它。
塔博在談到新的感測器系統時說：“將資料傳回是一個挑戰，因此擁有一種方便、非常實用的策略來讓細菌告訴我們它們所看到的東西非常重要。我認為這對於解決這個問題來說是一個很好的解決方案。”
這種新工具——研究團隊稱之為可攝入的微型生物電子裝置，或 IMBED——將工程細菌放入被半透膜覆蓋的孔中，將細菌細胞保持在內部，但歡迎代謝物進入。
如果選擇的分子濾入並遇到細菌，細菌細胞會產生光，光會被嵌入在小型電子晶片中的光電探測器接收。然後，電子系統可以將訊號傳送到智慧手機應用程式，就像探礦者在發現石油時尖叫一樣。
論文中描述的裝置大約為 10 毫米 x 30 毫米——大約是兩個一角硬幣並排的長度——研究人員已經為這項技術申請了專利，他們表示希望將其縮小到大約三分之一的大小以供人們使用。專家指出，攜帶攝像頭或監測溫度的藥丸已經在使用中，因此這種方法並不那麼科幻。
澳大利亞莫納什大學的彼得·吉布森和麗貝卡·伯格爾在一篇隨附研究的評論文章中寫道：“這有可能解鎖大量關於身體結構和功能、其與環境的關係以及疾病和治療干預措施的影響的資訊。”
作為概念驗證，研究人員展示了該系統可以在豬的胃腸道出血模型中檢測到血紅素分子。在部署後兩小時內，該裝置能夠以 100% 的準確率區分出患有模擬胃腸道出血的豬和對照組。
研究人員設想調整細菌，使其能夠識別一系列代謝物。該裝置還有四個孔，每個孔大約可以容納一百萬個細菌細胞，因此有可能在每個孔中放置不同的細菌生物感測器來檢測不同的分子。
麻省理工學院的研究生、該研究的主要作者馬克·米梅說：“我們可以進化這些生命系統，使其可以感知任何生物標記。”
沒有參與這項工作的研究人員指出了生物感測器在臨床應用中需要改進的幾個方面。首先，醫生需要能夠追蹤該裝置，以便他們可以知道當它檢測到目標分子時它在腸道中的確切位置。感測器還需要能夠快速拾取代謝物，以便它可以在被轉移到胃腸道的另一部分之前發出訊號。
吉布森和伯格爾以及塔博還指出了另一個挑戰：科學家們尚未確定他們應該尋找哪些生物標誌物作為不同疾病的訊號。因此，除了磨練這項 21 世紀的技術之外，研究人員仍然需要對我們古老的生物學有更深入的瞭解。
經 STAT 許可轉載。本文最初於 2018 年 5 月 24 日發表在STAT