科研 | Science：把玩酷炫科技 ——口服微生物电子检测设备，智能手机查看体内异常
本文由周建红编译，董小橙、江舜尧编辑。
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胃肠道中生物标记物的检测可以快速精确地诊断和治疗相关疾病，然而现实中想要检测复杂肠道内的生物分子并不容易，一般仪器难以深入，即使可以，也让患者忍受疼痛或麻醉，非常不方便。为了解决这个问题，来自MIT的研究人员利用对环境感应性强的细菌，设计了一种可口服的微生物电子设备, 可以原位测得体内生物分子，通过外部无线设备（如智能手机）获取检测结果。根据这个设计理念，将可以感应亚铁血红素的益生菌放入特殊的传感器上，成功地检测到了猪体内的出血。另外，该研究还整合了不同传感器，观察其可组合性和扩展性。这项研究有望发现新的胃肠道生物标记物，为诊断、治疗肠胃疾病带来福音。也许在不久的将来，你的智能手机可以像查看天气一样，查看你的个人健康！
原名：An ingestible bacterial-electronic system to monitor gastrointestinal health
译名：一个监测胃肠道健康的可摄取细菌电子系统
期刊：Science
IF：37.2
发表时间：2018 年5月25日
通信作者：Anantha P. Chandrakasan, Timothy K. Lu
通信作者单位：MIT美国麻省理工学院
图2 微生物电子设备设计图解。微型无线感应器主要包括：微型处理器（深灰色长条），电池（淡灰色长条），电容器（粉色长方形），电路板（绿色长条），新型塑料薄膜包装（淡黄色），以及扣件、细胞载体、生物膜、探测器等载入细菌的生物装备。基本原理：来自活细胞的生物荧光被光电晶体三极管检测，光信号经低能光度计转为外部无线设备（如电脑或手机）可以接收的数字信号。
首先给猪的体内注入血液，然后让它服用上述实验设计的、包含细菌的微型电子设备，连接外部无线设备接收信号（图3A）。通过内窥镜检查（图3B）和X射线（图3C），可以在猪的胃里看到微型电子设备。然后，登录笔记本电脑和安卓手机app，实时数据处理和可视化。最早在52分钟的时候即可检测到胃里的血液，在120分钟的时候胃内血液量达到最大。另外，如果该微型电子设备中的生物感应器缺乏亚铁血红素膜受体ChuA，或缺乏萤光素酶转录操纵子，均不能接收到荧光信号，说明细菌感光确实依赖于亚铁红素的存在。
更重要的是，这些细菌可以明显区分猪胃部的血液与作为对照的缓冲液（图3D），并在120分钟（即2小时）左右AUC值达到1（图3E），说明该设备的检测特异性和敏感性都非常好。
图3微生物电子设备能快速检测猪体内的胃出血，并且可以区分胃部血液和对照缓冲液。
本研究利用细菌的环境适应性和自然感光性质，结合复杂数据处理和超低能耗微型电路系统，设计了具有生物感应的检测设备，克服了一般检测手段难以进入胃部的难题，并在检测猪胃部出血的实验中得到了成功运用。下一步研究工作将关注整合不同生物感应器，不同微型处理器，不同递质，设计更加低能耗的电路，以让这项检测技术更加精准。
该研究体现了生物基因工程与通讯电子设备的结合在医学检验、临床诊断、疾病治疗等人类健康中的重要应用。