“晶元"可以幫助診斷疾病 基因工程的感測器可以檢測胃出血

麻省理工學院的研究人員已經構建了一個可以檢測感測器的感測器，該感測器配備了能夠診斷胃出血或其他腸胃問題的基因工程細菌。

這種「片上細菌」方法將由活細胞製成的感測器與超低功耗電子器件結合起來，將細菌反應轉化為智能手機可讀取的無線信號。

「通過將工程生物感測器與低功耗無線電子設備結合在一起，我們可以在人體內和近實時檢測到生物信號，為人類健康應用提供新的診斷功能，」麻省理工學院電氣工程副教授Timothy Lu說。電腦科學和生物工程。

在出現在5月24日在線版「 科學」中的這項新研究中，研究人員創建了對血紅素血紅素有反應的感測器，並表明他們在豬身上工作。他們還設計了可以對炎症反應的分子做出反應的感測器。

該研究的高級作者Lu和Anantha Chandrakasan是麻省理工學院工程學院院長，Vannevar Bush電氣工程和電腦科學教授。主要作者是研究生Mark Mimee和前MIT博士後Phillip Nadeau。

無線通信

在過去的十年中，合成生物學家已經在細菌工程方面取得了很大進展，以響應諸如環境汙染物或疾病標誌物等刺激物。這些細菌可以被設計成在檢測到目標刺激物時產生諸如光的輸出，但是通常需要專門的實驗室設備來測量這種響應。

為了讓這些細菌對真實世界的應用更有用，麻省理工學院的研究小組決定將它們與電子晶元結合起來，將細菌反應轉化為無線信號。

「我們的想法是將細菌細胞包裝在設備中，」Nadeau說。「這些細胞會被困住，並隨著裝置通過胃而繼續前行。」

對於他們最初的演示，研究人員集中於胃腸道出血。他們設計了一種大腸桿菌益生菌菌株來表達一種遺傳迴路，當細菌遇到血紅素時它會發光。

他們將細菌放入他們定製設計的感測器的四個孔中，覆蓋著一層半透膜，使周圍環境中的小分子擴散通過。每個井下面都有一個光電晶體管，可以測量細菌細胞產生的光量，並將資訊傳遞給微處理器，微處理器向附近的電腦或智能手機發送無線信號。研究人員還構建了一個可用於分析數據的Android應用程式。

該感測器是一個長約1.5英寸的圓柱體，需要約13微瓦的功率。研究人員為感測器配備了一個2.7伏電池，他們估計可以為該設備供電約1.5個月的連續使用。他們說，它也可以由胃酸性液體維持的伏打細胞供電，使用Nadeau和Chandrakasan以前開發的技術。

Chandrakasan說：「這項工作的重點是系統設計和集成，將細菌感應功能與超低功耗電路相結合，實現重要的健康感知應用。」

診斷疾病

研究人員測試了豬的可攝入感測器，並表明它可以正確確定胃中是否存在任何血液。他們預計這種類型的感測器可以部署為一次性使用，或設計為保持消化道幾天或幾周，發送連續信號。

目前，如果懷疑患者因胃潰瘍出血，必須進行內鏡檢查來診斷問題，這往往需要患者鎮靜。

「使用這種感測器的目標是通過攝取膠囊來避開不必要的過程，並在相對較短的時間內知道是否有出血事件，」Mimee說。

為了幫助將技術推向患者使用，研究人員計劃縮小感測器的尺寸並研究細菌細胞在消化道中的存活時間。他們還希望開發出血以外的胃腸疾病感測器。

在科學論文中，研究人員將之前描述的感測器用於其他兩種分子，這些分子尚未在動物身上進行過測試。其中一個感測器檢測到一種名為硫代硫酸鹽的含硫離子，該硫離子與炎症有關，可用於監測克羅恩病或其他炎癥狀況的患者。另一種檢測稱為AHL的細菌信號分子，其可以用作胃腸道感染的標記，因為不同類型的細菌產生稍微不同的分子形式。

「我們在論文中所做的大部分工作都與血液有關，但可以想像，您可以設計細菌來感應任何事物併產生光線，」Mimee說。「任何試圖設計細菌來感知與疾病有關的分子的人都可以將它插入其中一個井中，然後就可以開始行動了。」

研究人員說，這些感測器也可以設計成攜帶多種細菌菌株，從而可以診斷各種病症。

「現在，我們有四個檢測位點，但是如果可以將其擴展到16或256，那麼您可以有多種不同類型的細胞，並且能夠並行讀取它們，從而實現更高通量的篩選」。