什么是可攝取傳感器？

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它們是一種可攝取的電子設(shè)備，大概只有藥囊大小，由生物相容性材料組成，包括電源、微處理器、控制器、傳感器等，使設(shè)備具備遠(yuǎn)程通信能力，用于醫(yī)療行業(yè)的疾病診斷和監(jiān)測(cè)。

　　重要的是，由于它們是非侵入性的，這種實(shí)時(shí)醫(yī)療技術(shù)可以產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前傳感器的能力?？蓴z取式傳感器技術(shù)是繼可穿戴式傳感器之后的下一步。據(jù)估計(jì)，2016年可攝取式傳感器的市場(chǎng)規(guī)模約為4.91億美元，到2024年，這一數(shù)字可能以高達(dá)19%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。它是疾病診斷、監(jiān)測(cè)和管理領(lǐng)域的一項(xiàng)顛覆性技術(shù)。因此，“智能藥丸”領(lǐng)域非常值得探索。

　　芯片上的細(xì)菌

　　在2018年5月《科學(xué)》雜志上的一篇文章中，研究人員提出了一種新型可攝取的微型生物電子裝置（IMBED），可用于監(jiān)測(cè)腸道健康。作為概念驗(yàn)證，該小組設(shè)計(jì)了一種“血紅素敏感的益生菌生物傳感器”，可用于檢測(cè)胃腸道（GI）出血。前幾代的可攝取傳感器主要測(cè)量pH值、溫度、壓力和藥物的依從性，但這是第一次將該技術(shù)推向具體診斷。

　　細(xì)菌可以被看作是納米生物傳感器，因?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^(guò)特定的遺傳途徑感知大量的外部物理和化學(xué)參數(shù)。

　　在智能藥丸IMBED中，科學(xué)家們利用乳球菌和大腸桿菌O157:H7細(xì)菌的血紅素感應(yīng)基因成分來(lái)感應(yīng)細(xì)胞外環(huán)境中的血液，并將其改造為生物發(fā)光（PhotorhabdusluminescensluxCDABE），產(chǎn)生輸出信號(hào)。然后將該系統(tǒng)引入腸道友好型細(xì)菌菌株中，該藥丸裝置在一個(gè)由胃酸供電的電池上運(yùn)行，并在小鼠和豬身上進(jìn)行了測(cè)試，其中誘發(fā)了消化道出血，攝入的裝置能夠檢測(cè)血紅蛋白中的持鐵分子--血紅素，因?yàn)樗募{米生物發(fā)光信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后傳輸?shù)搅艘粋€(gè)安卓應(yīng)用程序中。

　　怎么檢測(cè)的呢？

　　簡(jiǎn)而言之，生物發(fā)光被存在于設(shè)備內(nèi)的一個(gè)基于低功耗芯片的光度計(jì)檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。這些代碼被無(wú)線傳輸?shù)襟w外進(jìn)行顯示和量化。該光度計(jì)由非常高效的光電晶體管組成，以檢測(cè)光子通量。在這個(gè)特殊的原型中，光電流被無(wú)線測(cè)量了兩個(gè)小時(shí)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)定制的應(yīng)用軟件在安卓手機(jī)上進(jìn)行可視化和處理。該設(shè)備可以很容易地檢測(cè)到環(huán)境中的血液。

　　被設(shè)計(jì)成檢測(cè)特定分子的細(xì)菌被放置在定制設(shè)計(jì)的傳感器上的四個(gè)孔中，該傳感器連接到一個(gè)微處理器上，將感官信息轉(zhuǎn)換為無(wú)線信號(hào)。

　　目前，人們認(rèn)識(shí)到，藥丸需要調(diào)整大小，因?yàn)樗鼈兊某叽纾ù蠹s1.5英寸）阻礙了人體試驗(yàn)。這一概念也被推斷為使用非致病性大腸桿菌Nissle1917檢測(cè)其他分子，如?；?高絲氨酸內(nèi)酯。這些IMBED在檢測(cè)使用傳統(tǒng)糞便檢測(cè)難以檢測(cè)的腸道內(nèi)小分子方面顯示出巨大的前景。這是基礎(chǔ)生物學(xué)、電子學(xué)和工程學(xué)的精彩結(jié)合，必將有助于我們對(duì)腸道問(wèn)題的理解。

　　腸道氣體傳感器

　　我們可以把腸道想象成這樣的一個(gè)具有生命力的場(chǎng)景：里面的食物被消化和分解，化學(xué)物質(zhì)和氣體在細(xì)胞之間交換，食物顆粒也在進(jìn)行化學(xué)和物理相互作用。

　　因此，對(duì)腸道環(huán)境的實(shí)時(shí)傳感可以為我們提供大量前所未見(jiàn)的腸道事件。其中，腸道氣體可以作為細(xì)菌生物量和存在于腸道中的化學(xué)分析物的代表進(jìn)行測(cè)量。因此，腸道氣體分析可以完美地開(kāi)發(fā)消化道疾病的生物標(biāo)志物。

　　2018年1月，澳大利亞科學(xué)家在《自然電子學(xué)》上發(fā)表的一項(xiàng)研究展示了腸道氣體感應(yīng)數(shù)字藥丸的首次人體試驗(yàn)，為腸道活動(dòng)提供了一些強(qiáng)大的新見(jiàn)解。

　　這項(xiàng)研究可能會(huì)對(duì)腸道診斷領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，因?yàn)閾?jù)估計(jì)，全球近五分之一的人將患有腸道疾病。這種數(shù)字藥丸具有氧氣、氫氣和二氧化碳的氣體傳感器，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以通過(guò)基于智能手機(jī)的應(yīng)用軟件來(lái)獲取。藥丸的結(jié)構(gòu)部件包括透氣膜、簧片開(kāi)關(guān)、微處理器和無(wú)線發(fā)射器。

　　此外，研究表明，這些膠囊不存在任何保留問(wèn)題。

　　該研究還揭示了一些非常新穎的腸道活動(dòng)，如產(chǎn)生氧化性化學(xué)物質(zhì)以對(duì)抗外來(lái)分子，以及結(jié)腸中存在氧氣，這些發(fā)現(xiàn)直接與以前的認(rèn)識(shí)相矛盾。

　　研究負(fù)責(zé)人、膠囊的共同發(fā)明人KouroshKalantar-zadeh教授評(píng)論說(shuō)：“試驗(yàn)表明，在極高纖維飲食下，結(jié)腸中存在高濃度的氧氣。這與過(guò)去認(rèn)為結(jié)腸總是無(wú)氧的觀點(diǎn)相矛盾。這一新信息可以幫助我們更好地了解結(jié)腸癌等衰弱疾病是如何發(fā)生的?！?/p>

　　該試驗(yàn)在7名健康人身上進(jìn)行，具體飲食由高纖維或低纖維組成。結(jié)果清楚地顯示了準(zhǔn)確的食物發(fā)酵發(fā)病時(shí)間。據(jù)悉，該小組目前正走在該技術(shù)和產(chǎn)品的商業(yè)化和市場(chǎng)化道路上。他們已經(jīng)與PlanetInnovation合作，成立了AtmoBiosciences公司以進(jìn)行II期臨床試驗(yàn)。這可以徹底改變我們對(duì)腸道，胃腸道生物分子，食物滯留時(shí)間，消化，食物吸收或缺乏，微生物組組成等的理解，這些都是實(shí)時(shí)且以非侵入性方式進(jìn)行的。

　　遵守藥物監(jiān)控

　　AbilifyMyCite是第一種含有數(shù)字跟蹤系統(tǒng)的藥片，已被美國(guó)食品和藥物管理局批準(zhǔn)，可供醫(yī)生用于監(jiān)測(cè)精神障礙患者的藥物攝入情況。由于依從性是至關(guān)重要的，而且往往是一些患者的問(wèn)題，這種新型智能藥丸可以更嚴(yán)格地監(jiān)測(cè)和管理藥物依從性計(jì)劃。

　　該膠囊?guī)в幸粋€(gè)嵌入式傳感器、可穿戴貼片和軟件應(yīng)用。每當(dāng)患者不遵守藥物治療方案時(shí)，軟件就可以向醫(yī)生發(fā)出警報(bào)。此外，通過(guò)智能手機(jī)可以輕松地通過(guò)門(mén)戶網(wǎng)站獲取數(shù)據(jù)。這是由大冢制藥和ProteusDigitalHealth合作完成的。

　　未來(lái)的發(fā)展方向

　　可攝入傳感器仍然是一個(gè)新概念，吞下一個(gè)包含所有電子元件的傳感器的想法仍然是一個(gè)心理挑戰(zhàn)。制藥公司和監(jiān)管機(jī)構(gòu)必須保持嚴(yán)格的安全準(zhǔn)則。

　　此外，該領(lǐng)域還必須克服與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)相關(guān)的大量支出的巨大障礙，因?yàn)檫@些技術(shù)需要發(fā)明新的集成技術(shù)，這個(gè)問(wèn)題可能會(huì)減緩開(kāi)發(fā)速度。

　　然而，通過(guò)這種可攝取的技術(shù)所獲得的信息具有巨大的潛力，可以揭示新發(fā)現(xiàn)的腸道功能。我們目前缺乏對(duì)胃液、電解質(zhì)、激素和其他腸道代謝物如何協(xié)調(diào)在一起建立健康腸道的深入理解。因此，我們可以放心地認(rèn)為，這些高度集成的可攝取傳感器是我們腸道健康的未來(lái)。