麻省理工学院电子工程、计算机科学和生物工程副教授Timothy Lu说:“通过将工程生物传感器与低功耗无线电子技术结合在一起，我们可以近乎实时地检测人体中的生物信号，为人类健康应用提供新的诊断能力。”
这项新研究发表在5月24日的《科学》(Science)在线版上，研究人员创造了对血液成分亚铁血红素(heme)做出反应的传感器，并表明它们在猪身上也能发挥作用。他们还设计了能够对炎症标志分子做出反应的传感器。卢和麻省理工学院工程学院院长、电气工程和计算机科学Vannevar Bush教授Anantha Chandrakasan是这项研究的资深作者。主要作者是研究生马克·米米和前麻省理工学院博士后菲利普·纳多。
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无线通信
在过去的十年里，合成生物学家在改造细菌以对环境污染物或疾病标记物等刺激作出反应方面取得了巨大的进展。这些细菌可以被设计成当它们探测到目标刺激时产生诸如光之类的输出，但通常需要专门的实验室设备来测量这种反应。
为了让这些细菌在现实生活中更有用，麻省理工学院的研究小组决定将它们与一种电子芯片结合，这种芯片可以将细菌的反应转化为无线信号。纳多说:“我们的想法是将细菌细胞封装在一个设备中。”“当设备通过胃时，细胞会被困住，跟着移动。”
在最初的演示中，研究人员将重点放在了消化道出血上。他们设计了一种大肠杆菌的益生菌菌株，使其表达一种基因回路，使细菌在遇到亚铁血红素时发光。
他们将细菌放置在他们定制设计的传感器上的四个井中，上面覆盖着一层半透膜，可以让周围环境中的小分子扩散通过。每口井下面都有一个光电晶体管，它可以测量细菌细胞产生的光量，并将信息传递到微处理器上，微处理器会向附近的电脑或智能手机发送无线信号。研究人员还开发了一款可以用来分析数据的安卓应用程序。
该传感器是一个大约1.5英寸长的圆柱体，需要大约13微瓦的功率。研究人员为传感器配备了2.7伏的电池，他们估计这可以为设备提供大约1.5个月的持续使用。他们说，它还可以由胃里的酸性液体维持的伏打电池提供动力，使用的技术是纳多和钱德拉卡山此前开发的。“这项工作的重点是系统设计和集成，将细菌感应能力与超低功耗电路结合起来，实现重要的健康感应应用，”Chandrakasan说。
诊断疾病
研究人员在猪身上测试了这种可消化传感器，表明它可以正确地判断胃里是否有血液。他们预计，这种类型的传感器既可以一次性使用，也可以设计成在消化道停留几天或几周，发送连续的信号。
目前，如果病人被怀疑是胃溃疡出血，他们必须进行内镜检查来诊断问题，这通常需要给病人注射镇静剂。米米说:“这种传感器的目标是，你可以通过吞咽胶囊来避开不必要的程序，在相对较短的时间内，你就可以知道是否有出血事件。”
为了将这项技术推广给患者使用，研究人员计划缩小传感器的尺寸，并研究细菌细胞在消化道中可以存活多久。他们还希望开发出用于消化道疾病而不是出血的传感器。
在《科学》杂志的论文中，研究人员改编了之前描述的另外两种分子的传感器，他们还没有在动物身上测试过。其中一个传感器检测到一种名为硫代硫酸盐的含硫离子，这种离子与炎症有关，可用于监测克罗恩病或其他炎症情况的患者。另一种检测一种叫做AHL的细菌信号分子，它可以作为胃肠道感染的标志，因为不同类型的细菌产生的分子略有不同。米米说:“我们在论文中做的大部分工作都与血液有关，但可以想象，你可以改造细菌来感知任何东西，并据此产生光。”“任何试图改造细菌来感知与疾病相关的分子的人，都可以把它插入其中一个小孔，它就可以随时使用了。”
研究人员表示，传感器还可以设计成携带多种细菌，从而可以诊断各种情况。纳多说:“目前，我们有4个检测点，但如果你可以将其扩展到16或256个，那么你就可以拥有多种不同类型的细胞，并能够同时读取它们，从而实现更大规模的筛查。”
来源:麻省理工学院
