MIT研究人員開發(fā)出一種可攝取的傳感器

如今，醫(yī)療電子技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異。過去的醫(yī)療電子設(shè)備往往體積笨重，造價(jià)昂貴，只能存放于實(shí)驗(yàn)室中，需要專業(yè)技術(shù)人員才能操作，經(jīng)過很長時(shí)間才能得到檢測結(jié)果。隨著半導(dǎo)體、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)、新材料等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，醫(yī)療電子設(shè)備呈現(xiàn)出了小型化、便攜化、低成本、低功耗等新的發(fā)展趨勢。

近日，MIT 研究人員開發(fā)出一種可攝取的傳感器，它裝備了基因工程細(xì)菌，能診斷胃出血或者其他胃腸道問題。

這種“芯片上的細(xì)菌”（bacteria-on-a-chip）方案將活細(xì)胞制成的傳感器與超低功耗電子器件相結(jié)合，通過超低功耗電子器件將細(xì)菌的響應(yīng)轉(zhuǎn)化為智能手機(jī)可以讀取的無線信號。

在這項(xiàng)研究中，研究人員設(shè)計(jì)出能對血液中的血紅素作出反應(yīng)的傳感器，并展示該傳感器可以在豬身體上工作。此外，他們也設(shè)計(jì)出了能對炎癥標(biāo)記物分子作出反應(yīng)的傳感器。

據(jù)悉，該研究的相關(guān)論文發(fā)表于《科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版。Lu 與麻省理工學(xué)院工學(xué)院院長、電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授 Anantha Chandrakasan 都是這篇論文的高級作者。論文的領(lǐng)導(dǎo)作者是研究生 Mark Mimee 和前麻省理工學(xué)院博士后研究員 Phillip Nadeau。

過去十年來，在對于環(huán)境污染物或者疾病標(biāo)志物的刺激作出反應(yīng)的工程細(xì)菌研究方面，合成生物學(xué)家已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步。當(dāng)這些細(xì)菌檢測到目標(biāo)刺激時(shí)，可以產(chǎn)生諸如光線等輸出，但是測量這些響應(yīng)通常需要專門的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。

為了使得這些細(xì)菌更適合真實(shí)世界的應(yīng)用，MIT 團(tuán)隊(duì)決定將它們與電子芯片相結(jié)合，因?yàn)殡娮有酒梢詫⒓?xì)菌的響應(yīng)轉(zhuǎn)化為無線信號。

在最初的演示中，研究人員主要關(guān)注了胃腸道出血。他們設(shè)計(jì)了大腸桿菌的益生菌菌株來表達(dá)基因電路。當(dāng)細(xì)菌遇到血紅素時(shí)，這種基因電路會(huì)使得細(xì)菌激發(fā)光。

他們將細(xì)菌安放到傳感器上的四個(gè)井中，并由半透膜覆蓋。周圍環(huán)境中的小分子能夠擴(kuò)散通過這種半透膜。每個(gè)井的下面有一個(gè)光電晶體管，用于測量細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生的光線量，并將信息傳遞至微處理器，然后微處理器會(huì)將無線信號發(fā)送至鄰近的計(jì)算機(jī)或者智能手機(jī)。同時(shí)，他們也設(shè)計(jì)了一個(gè)安卓應(yīng)用程序，用于分析數(shù)據(jù)。

這種傳感器外形是一個(gè)長1.5英寸的圓柱，功率是13微瓦。研究人員為傳感器裝備了2.7伏的電池，他們估計(jì)，這個(gè)電池可維持設(shè)備一個(gè)半月的連續(xù)運(yùn)行。他們說，采用Nadeau 和 Chandrakasan之前開發(fā)的技術(shù)，即通過胃中的酸性液體提供能量的伏打電池也可以為這個(gè)設(shè)備供電。

研究人員在豬身上測試了這種可攝取的傳感器，結(jié)果顯示它可以正確地判斷豬胃中有沒有出血。他們預(yù)測，這種傳感器既可以一次性使用，也可以在消化道中存留幾天或幾周，持續(xù)發(fā)送信號。

目前，如果病人被懷疑出現(xiàn)胃潰瘍出血，他們就必須經(jīng)受內(nèi)窺鏡檢查，而這通常會(huì)需要病人接受鎮(zhèn)靜。

Mimee 表示：“這種傳感器的目標(biāo)就是，你將可以通過服用膠囊，避免不必要的手術(shù)，并在相對較短的時(shí)間內(nèi)，了解是否出血。”

麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系和生物工程系副教授 Timothy Lu 表示：“我們通過將人造的生物傳感器與低功耗無線電子器件結(jié)合到一起，幾乎可以實(shí)時(shí)地檢測人體內(nèi)的生物信號，從而為人類健康應(yīng)用開啟新的診斷能力。”

Chandrakasan 表示：“這項(xiàng)研究的重點(diǎn)在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成，將細(xì)菌感知的能力與超低功耗電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)重要的健康感知應(yīng)用?！?/p>

為了將這項(xiàng)技術(shù)推進(jìn)到讓患者使用，研究人員計(jì)劃降低傳感器的尺寸，并研究在消化道中細(xì)菌細(xì)胞可以存活多久。除了檢測出血，他們也希望開發(fā)能檢測其他胃腸疾病的傳感器。