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健康是人類永恆的話題，隨著技術的發展如何防治疾病、提高生活質量成為了科學家們共同的追求。而醫學檢驗是判斷疾病的關鍵手段，但很多檢查手段具有侵入式、不友好、效率誤檢率高等缺點，特別是胃腸檢測更是令患者十分痛苦。為了解決這一問題，科學家們開始研究可吞嚥的檢測裝置，並將研究重點致力於檢測方式和信號傳輸方式上。
近日，MIT的研究者在《Nature》上發表了一篇文章，描述了一種可以診斷腸胃出血或其他腸胃疾病的攝入型微型生物電子設備（micro-bio-electronic device ，IMBED）。該設備將工程改造後的有益菌作為傳感器，與低功耗微電子技術相結合，從而原位檢測與胃腸健康或疾病相關的生物分子，並將細菌傳感器的應答響應轉變為無線信號，由無線電裝置或智能手機接收並進行信號讀取。
將細菌對環境的響應轉變為數字代碼進行無線傳輸
在IMBED設備中，作為傳感器的益生菌緊靠著讀取電極分佈於不同的孔中，並用半透膜覆蓋，使細菌與外界環境隔離並滯留於設備中，同時可以保證周圍環境中的小分子擴散通過。感受到目標分子後，細菌會發光，埋藏在電極中的光子檢測器接收到信號，集成生物發光檢測電路將光信號轉變成的電信號，並進一步變成無線信號傳輸給外界無線電裝置或智能手機。
為了證明IMBED的臨床應用價值，研究者設計了通過檢測紅細胞破裂時釋放的血紅素來診斷胃腸出血的生物傳感器。以往急性胃腸道出血的診斷通常需要藉助內窺鏡，而IMBED 可以提供一種快速，微創，經濟高效的診療手段。血紅素生物感應器依靠一種合成的啟動子PL(HrtO), 由乳酸乳球菌血紅素響應轉錄阻遏物 HrtR 以及ChuA調節，而ChuA是大腸桿菌O157 : H7的外膜轉運體，允許細胞外血紅素通過細胞膜轉運。發光桿菌luxCDABE可以在體溫下正常工作，並且編碼細胞內底物產生所需的所有成分，因此被用作遺傳回路的輸出。
血液傳感器基因迴路示意圖。細胞外血紅素通過外膜轉運體ChuA介導並與轉錄阻遏物HtrR相互作用，以表達細菌的螢光素酶操縱子
為了將細菌生物傳感器和電子傳感器及無線傳輸平臺集成起來，研究者開發了一種小型化、完全集成的無線讀取模製膠囊，用於靶向檢測胃腸道中的小分子。該膠囊中包括了納瓦特級別基於時間的光度計芯片與微處理器、無線發射器和一組光電晶體管。來自激活的細胞的生物發光由位於每個空腔下方的光電晶體管檢測。通過低功率光度計芯片將檢測到的光信號轉換成數字代碼並無線傳輸到體外，用於校準、顯示和記錄。
傳感器示意圖
疾病診斷中的應用
為了考察無線生物傳感器對生物分子的原位檢測的影響，研究者們在豬消化道出血模型中植入了血液傳感器。光電流數據在2個小時的實驗過程中，從胃中無線傳輸出來，並由筆記本電腦和安卓手機進行記錄，筆記本和手機都 配備了定製的應用程序，用於實時數據處理和可視化。傳感器的靈敏度隨著時間而增加，60分鐘時的靈敏度和特異性為83.3 %，120分鐘時的靈敏度和特異性為100 %。因此，IMBED可以在嚴苛的胃部環境中以高特異性和靈敏度檢測出少量的待分析物質。目前為止，如果病人被懷疑是胃潰瘍出血，需要接受內窺鏡進行檢查診斷，而且通常需要進行麻醉鎮靜。而這種傳感器，只需攝入膠囊即可，並且短時間內就能診斷出是否消化道出血。
實驗流程示意圖
除了出血檢測外，研究者還設計了其他生物標記物，如硫代硫酸鹽和酰基高絲氨酸內酯( AHL )。硫代硫酸鹽在小鼠結腸炎模型中升高，可以作為腸道炎症的生物標記物。AHLs是特定細菌的特徵性分子，檢測AHLs可以推測腸道微生物群中的共棲現象或者是否有感染性物質存在。將硫代硫酸鹽和AHL誘導的遺傳回路引入大腸桿菌Nissle，暴露於誘導劑，可引起劑量依賴型的生物發光反應。這些替代型生物傳感器與IMBEDs集成於一體，就可以在流體環境中檢測不同的待分析物。研究者預計IMBEDs可以檢測的物質還會持續增多。
隨著全細胞生物傳感器領域的成熟，新開發的臨床相關生物標誌物傳感器可以快速集成到IMBED中，以實現胃腸道的微創檢測。IMBED可以進入傳統上難以接近的解剖區域，用於發現與健康或疾病相關的新的臨床生物標記的發現。基於高精度生物傳感器的人體內部微創檢測將要進入新的時代。
-The End-
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