什么是可攝取傳感器？

  簡單來說，它們是一種可攝取的電子設(shè)備，大概只有藥囊大小，由生物相容性材料組成，包括電源、微處理器、控制器、傳感器等，使設(shè)備具備遠程通信能力，用于醫(yī)療行業(yè)的疾病診斷和監(jiān)測。

  重要的是，由于它們是非侵入性的，這種實時醫(yī)療技術(shù)可以產(chǎn)生深遠的影響，遠遠超出目前傳感器的能力?？蓴z取式傳感器技術(shù)是繼可穿戴式傳感器之后的下一步。據(jù)估計，2016年可攝取式傳感器的市場規(guī)模約為4.91億美元，到2024年，這一數(shù)字可能以高達19%的年復合增長率增長。它是疾病診斷、監(jiān)測和管理領(lǐng)域的一項顛覆性技術(shù)。因此，“智能藥丸 ”領(lǐng)域非常值得探索。

  芯片上的細菌

  在2018年5月《科學》雜志上的一篇文章中，研究人員提出了一種新型可攝取的微型生物電子裝置（IMBED），可用于監(jiān)測腸道健康。作為概念驗證，該小組設(shè)計了一種 “血紅素敏感的益生菌生物傳感器”，可用于檢測胃腸道（GI）出血。前幾代的可攝取傳感器主要測量pH值、溫度、壓力和藥物的依從性，但這是**次將該技術(shù)推向具體診斷。

  細菌可以被看作是納米生物傳感器，因為它們可以通過特定的遺傳途徑感知大量的外部物理和化學參數(shù)。

  在智能藥丸IMBED中，科學家們利用乳球菌和大腸桿菌O157:H7細菌的血紅素感應(yīng)基因成分來感應(yīng)細胞外環(huán)境中的血液，并將其改造為生物發(fā)光（Photorhabdus luminescens luxCDABE），產(chǎn)生輸出信號。然后將該系統(tǒng)引入腸道友好型細菌菌株中，該藥丸裝置在一個由胃酸供電的電池上運行，并在小鼠和豬身上進行了測試，其中誘發(fā)了消化道出血，攝入的裝置能夠檢測血紅蛋白中的持鐵分子--血紅素，因為它的納米生物發(fā)光信號經(jīng)過處理后傳輸?shù)搅艘粋€安卓應(yīng)用程序中。

  怎么檢測的呢？

  簡而言之，生物發(fā)光被存在于設(shè)備內(nèi)的一個基于低功耗芯片的光度計檢測并轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。這些代碼被無線傳輸?shù)襟w外進行顯示和量化。該光度計由非常高效的光電晶體管組成，以檢測光子通量。在這個特殊的原型中，光電流被無線測量了兩個小時。實時數(shù)據(jù)通過定制的應(yīng)用軟件在安卓手機上進行可視化和處理。該設(shè)備可以很容易地檢測到環(huán)境中的血液。

  被設(shè)計成檢測特定分子的細菌被放置在定制設(shè)計的傳感器上的四個孔中，該傳感器連接到一個微處理器上，將感官信息轉(zhuǎn)換為無線信號。

  圖片：Melanie Gonick/MIT Melanie Gonick/MIT

  目前，人們認識到，藥丸需要調(diào)整大小，因為它們的尺寸（大約1.5英寸）阻礙了人體試驗。這一概念也被推斷為使用非致病性大腸桿菌Nissle 1917檢測其他分子，如酰基-高絲氨酸內(nèi)酯。這些IMBED在檢測使用傳統(tǒng)糞便檢測難以檢測的腸道內(nèi)小分子方面顯示出巨大的前景。這是基礎(chǔ)生物學、電子學和工程學的精彩結(jié)合，必將有助于我們對腸道問題的理解。

  腸道氣體傳感器

  我們可以把腸道想象成這樣的一個具有生命力的場景：里面的食物被消化和分解，化學物質(zhì)和氣體在細胞之間交換，食物顆粒也在進行化學和物理相互作用。

  因此，對腸道環(huán)境的實時傳感可以為我們提供大量前所未見的腸道事件。其中，腸道氣體可以作為細菌生物量和存在于腸道中的化學分析物的**進行測量。因此，腸道氣體分析可以完美地開發(fā)消化道疾病的生物標志物。

  2018年1月，澳大利亞科學家在《自然電子學》上發(fā)表的一項研究展示了腸道氣體感應(yīng)數(shù)字藥丸的**人體試驗，為腸道活動提供了一些強大的新見解。

  可吞咽傳感器的特寫。圖片：Peter Clarke/MIT大學。Peter Clarke/MIT大學

  這項研究可能會對腸道診斷領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，因為據(jù)估計，全球近五分之一的人將患有腸道疾病。這種數(shù)字藥丸具有氧氣、氫氣和二氧化碳的氣體傳感器，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以通過基于智能手機的應(yīng)用軟件來獲取。藥丸的結(jié)構(gòu)部件包括透氣膜、簧片開關(guān)、微處理器和無線發(fā)射器。

  此外，研究表明，這些膠囊不存在任何保留問題。

  該研究還揭示了一些非常新穎的腸道活動，如產(chǎn)生氧化性化學物質(zhì)以對抗外來分子，以及結(jié)腸中存在氧氣，這些發(fā)現(xiàn)直接與以前的認識相矛盾。

  研究負責人、膠囊的共同發(fā)明人Kourosh Kalantar-zadeh教授評論說：“試驗表明，在極高纖維飲食下，結(jié)腸中存在高濃度的氧氣。這與過去認為結(jié)腸總是無氧的觀點相矛盾。這一新信息可以幫助我們更好地了解結(jié)腸*等衰弱疾病是如何發(fā)生的?！?

  該試驗在7名健康人身上進行，具體飲食由高纖維或低纖維組成。結(jié)果清楚地顯示了準確的食物發(fā)酵發(fā)病時間。據(jù)悉，該小組目前正走在該技術(shù)和產(chǎn)品的商業(yè)化和市場化道路上。他們已經(jīng)與Planet Innovation合作，成立了Atmo Biosciences公司以進行II期臨床試驗。這可以徹底改變我們對腸道，胃腸道生物分子，食物滯留時間，消化，食物吸收或缺乏，微生物組組成等的理解，這些都是實時且以非侵入性方式進行的。

  膠囊通過胃腸系統(tǒng)移動，并通過手持設(shè)備和移動應(yīng)用程序傳輸信息。照片：Atmo Biosciences

  遵守藥物監(jiān)控

  Abilify MyCite是**種含有數(shù)字跟蹤系統(tǒng)的藥片，已被美國食品和藥物管理局批準，可供醫(yī)生用于監(jiān)測精神障礙患者的藥物攝入情況。由于依從性是至關(guān)重要的，而且往往是一些患者的問題，這種新型智能藥丸可以更嚴格地監(jiān)測和管理藥物依從性計劃。

  該膠囊?guī)в幸粋€嵌入式傳感器、可穿戴貼片和軟件應(yīng)用。每當患者不遵守藥物治療方案時，軟件就可以向醫(yī)**出警報。此外，通過智能手機可以輕松地通過門戶網(wǎng)站獲取數(shù)據(jù)。這是由大冢制藥和Proteus Digital Health合作完成的。

  未來的發(fā)展方向

  可攝入傳感器仍然是一個新概念，吞下一個包含所有電子元件的傳感器的想法仍然是一個心理挑戰(zhàn)。制藥公司和監(jiān)管機構(gòu)必須保持嚴格的安全準則。

  此外，該領(lǐng)域還必須克服與產(chǎn)品開發(fā)相關(guān)的大量支出的巨大障礙，因為這些技術(shù)需要發(fā)明新的集成技術(shù)，這個問題可能會減緩開發(fā)速度。

  然而，通過這種可攝取的技術(shù)所獲得的信息具有巨大的潛力，可以揭示新發(fā)現(xiàn)的腸道功能。我們目前缺乏對胃液、電解質(zhì)、**和其他腸道代謝物如何協(xié)調(diào)在一起建立健康腸道的深入理解。因此，我們可以放心地認為，這些高度集成的可攝取傳感器是我們腸道健康的未來。

  關(guān)于作者：Subhra Pradhan 。Subhra在印度加爾各答大學獲得生物學學士學位，在印度Kalyani大學獲得生物技術(shù)碩士學位。她成功地在印度化學生物學研究所獲得了微生物學博士學位，她的研究重點是病原菌的分子遺傳學。

  編譯：梟梟