携带基因工程细菌的超低功率传感器可以检测胃出血

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麻省理工学院

概要：

研究人员已经建立了一种可摄入的传感器，配备了基因工程细菌，可以诊断胃部出血或其他胃肠道问题。

麻省理工学院的研究人员已经建立了一种可摄入的传感器，配备了基因工程细菌，可以诊断胃部出血或其他胃肠道问题。

这种“芯片上的细菌”方法将活细胞制成的传感器与超低功耗电子设备结合在一起，将细菌反应转换为可由智能手机读取的无线信号。

“通过将工程生物传感器与低功耗无线电子设备相结合，我们可以近乎实时地检测身体中的生物信号，为人类健康应用提供新的诊断功能，”麻省理工学院电气工程副教授Timothy Lu说。和计算机科学和生物工程。

在5月24日在线版“科学”杂志上发表的这项新研究中，研究人员创造了对血液成分作出反应的传感器，并证明它们可以在猪身上发挥作用。他们还设计了可以响应作为炎症标志物的分子的传感器。

麻省理工学院工程学院院长Luan和Anantha Chandrakasan以及Vannevar Bush电气工程和计算机科学教授是该研究的高级作者。主要作者是研究生Mark Mimee和前麻省理工学院博士后Phillip Nadeau。

无线通信

在过去的十年中，合成生物学家在设计细菌方面取得了很大进展，以应对环境污染物或疾病标记等刺激。这些细菌可以设计成在检测到目标刺激时产生光等输出，但通常需要专门的实验室设备来测量这种反应。

为了使这些细菌对实际应用更有用，麻省理工学院的团队决定将它们与可以将细菌反应转化为无线信号的电子芯片相结合。

“我们的想法是将细菌细胞包装在设备内，”Nadeau说。 “当设备通过胃时，细胞会被困住并继续骑行。”

对于他们最初的示范，研究人员专注于胃肠道出血。他们设计了一种大肠杆菌益生菌菌株，以表达一种遗传回路，当它们遇到血红素时会导致细菌发光。

他们将细菌放入定制设计的传感器中的四个孔中，由半透膜覆盖，允许来自周围环境的小分子扩散通过。每个孔下面是一个光电晶体管，可以测量细菌细胞产生的光量，并将信息传递给微处理器，微处理器向附近的计算机或智能手机发送无线信号。研究人员还构建了一个可用于分析数据的Android应用程序。

传感器是一个约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伏电池，据他们估计这种电池可以连续使用约1.5个月。他们说，它也可能由一个由胃中的酸性液体维持的伏打电池供电，采用Nadeau和Chandrakasan先前开发的技术。

“这项工作的重点是系统设计和集成，将细菌传感的功能与超低功耗电路结合起来，实现重要的健康传感应用，”Chandrakasan说。

诊断疾病

研究人员测试了猪中的可摄取传感器，并证明它可以正确地确定胃中是否存在任何血液。他们预计这种类型的传感器可以部署为一次性使用，也可以设计为在几天或几周内保持消化道，发送连续信号。

目前，如果怀疑患者是胃溃疡出血，他们必须进行内窥镜检查来诊断问题，这通常需要患者服用镇静剂。

“这种传感器的目标是，你可以通过摄取胶囊来规避不必要的手术，并且在相对较短的时间内你就会知道是否有出血事件，”Mimee说。

为了帮助将该技术用于患者使用，研究人员计划减少传感器的尺寸并研究细菌细胞在消化道中存活多长时间。他们还希望开发除出血以外的胃肠道疾病传感器。

在“科学”杂志上，研究人员调整了先前描述的两种其他分子的传感器，这些分子尚未在动物身上进行过测试。其中一个传感器检测到一种叫做硫代硫酸盐的含硫离子，它与炎症有关，可用于监测患有克罗恩病或其他炎症的患者。另一种检测到称为AHL的细菌信号分子，它可以作为胃肠道感染的标志物，因为不同类型的细菌会产生略微不同的分子形式。

“我们在论文中所做的大部分工作都与血液有关，但可以想象，你可以设计细菌来感知任何东西并产生光照以应对血液，”Mimee说。 “任何试图设计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井中，它就可以了。”

研究人员表示，这些传感器还可以设计用于携带多种细菌菌株，从而可以诊断各种疾病。

“现在，我们有四个检测站点，但是如果你可以将它扩展到16或256，那么你可以拥有多种不同类型的细胞并能够并行读取它们，从而实现更高通量的筛选，”Nadeau说。