可摄取传感器的现在与未来
什么是可摄取传感器？
简单来说，它们是一种可摄取的电子设备，大概只有药囊大小，由生物相容性材料组成，包括电源、微处理器、控制器、传感器等，使设备具备远程通信能力，用于医疗行业的疾病诊断和监测。
重要的是，由于它们是非侵入性的，这种实时医疗技术可以产生深远的影响，远远超出目前传感器的能力。可摄取式传感器技术是继可穿戴式传感器之后的下一步。据估计，2016年可摄取式传感器的市场规模约为4.91亿美元，到2024年，这一数字可能以高达19%的年复合增长率增长。它是疾病诊断、监测和管理领域的一项颠覆性技术。因此，“智能药丸 ”领域非常值得探索。
芯片上的细菌
在2018年5月《科学》杂志上的一篇文章中，研究人员提出了一种新型可摄取的微型生物电子装置（IMBED），可用于监测肠道健康。作为概念验证，该小组设计了一种 “血红素敏感的益生菌生物传感器”，可用于检测胃肠道（GI）出血。前几代的可摄取传感器主要测量pH值、温度、压力和药物的依从性，但这是第一次将该技术推向具体诊断。
细菌可以被看作是纳米生物传感器，因为它们可以通过特定的遗传途径感知大量的外部物理和化学参数。
在智能药丸IMBED中，科学家们利用乳球菌和大肠杆菌O157:H7细菌的血红素感应基因成分来感应细胞外环境中的血液，并将其改造为生物发光（Photorhabdus luminescens luxCDABE），产生输出信号。然后将该系统引入肠道友好型细菌菌株中，该药丸装置在一个由胃酸供电的电池上运行，并在小鼠和猪身上进行了测试，其中诱发了消化道出血，摄入的装置能够检测血红蛋白中的持铁分子--血红素，因为它的纳米生物发光信号经过处理后传输到了一个安卓应用程序中。
怎么检测的呢？
简而言之，生物发光被存在于设备内的一个基于低功耗芯片的光度计检测并转换成数字代码。这些代码被无线传输到体外进行显示和量化。该光度计由非常高效的光电晶体管组成，以检测光子通量。在这个特殊的原型中，光电流被无线测量了两个小时。实时数据通过定制的应用软件在安卓手机上进行可视化和处理。该设备可以很容易地检测到环境中的血液。
被设计成检测特定分子的细菌被放置在定制设计的传感器上的四个孔中，该传感器连接到一个微处理器上，将感官信息转换为无线信号。
图片：Melanie Gonick/MIT Melanie Gonick/MIT
目前，人们认识到，药丸需要调整大小，因为它们的尺寸（大约1.5英寸）阻碍了人体试验。这一概念也被推断为使用非致病性大肠杆菌Nissle 1917检测其他分子，如酰基-高丝氨酸内酯。这些IMBED在检测使用传统粪便检测难以检测的肠道内小分子方面显示出巨大的前景。这是基础生物学、电子学和工程学的精彩结合，必将有助于我们对肠道问题的理解。
肠道气体传感器
我们可以把肠道想象成这样的一个具有生命力的场景：里面的食物被消化和分解，化学物质和气体在细胞之间交换，食物颗粒也在进行化学和物理相互作用。
因此，对肠道环境的实时传感可以为我们提供大量前所未见的肠道事件。其中，肠道气体可以作为细菌生物量和存在于肠道中的化学分析物的代表进行测量。因此，肠道气体分析可以完美地开发消化道疾病的生物标志物。
2018年1月，澳大利亚科学家在《自然电子学》上发表的一项研究展示了肠道气体感应数字药丸的首次人体试验，为肠道活动提供了一些强大的新见解。
可吞咽传感器的特写。图片：Peter Clarke/MIT大学。Peter Clarke/MIT大学
这项研究可能会对肠道诊断领域产生重大影响，因为据估计，全球近五分之一的人将患有肠道疾病。这种数字药丸具有氧气、氢气和二氧化碳的气体传感器，产生的数据可以通过基于智能手机的应用软件来获取。药丸的结构部件包括透气膜、簧片开关、微处理器和无线发射器。
此外，研究表明，这些胶囊不存在任何保留问题。
该研究还揭示了一些非常新颖的肠道活动，如产生氧化性化学物质以对抗外来分子，以及结肠中存在氧气，这些发现直接与以前的认识相矛盾。
研究负责人、胶囊的共同发明人Kourosh Kalantar-zadeh教授评论说：“试验表明，在极高纤维饮食下，结肠中存在高浓度的氧气。这与过去认为结肠总是无氧的观点相矛盾。这一新信息可以帮助我们更好地了解结肠癌等衰弱疾病是如何发生的。”
该试验在7名健康人身上进行，具体饮食由高纤维或低纤维组成。结果清楚地显示了准确的食物发酵发病时间。据悉，该小组目前正走在该技术和产品的商业化和市场化道路上。他们已经与Planet Innovation合作，成立了Atmo Biosciences公司以进行II期临床试验。这可以彻底改变我们对肠道，胃肠道生物分子，食物滞留时间，消化，食物吸收或缺乏，微生物组组成等的理解，这些都是实时且以非侵入性方式进行的。
胶囊通过胃肠系统移动，并通过手持设备和移动应用程序传输信息。照片：Atmo Biosciences
遵守药物监控
Abilify MyCite是第一种含有数字跟踪系统的药片，已被美国食品和药物管理局批准，可供医生用于监测精神障碍患者的药物摄入情况。由于依从性是至关重要的，而且往往是一些患者的问题，这种新型智能药丸可以更严格地监测和管理药物依从性计划。
该胶囊带有一个嵌入式传感器、可穿戴贴片和软件应用。每当患者不遵守药物治疗方案时，软件就可以向医生发出警报。此外，通过智能手机可以轻松地通过门户网站获取数据。这是由大冢制药和Proteus Digital Health合作完成的。
未来的发展方向
可摄入传感器仍然是一个新概念，吞下一个包含所有电子元件的传感器的想法仍然是一个心理挑战。制药公司和监管机构必须保持严格的安全准则。
此外，该领域还必须克服与产品开发相关的大量支出的巨大障碍，因为这些技术需要发明新的集成技术，这个问题可能会减缓开发速度。
然而，通过这种可摄取的技术所获得的信息具有巨大的潜力，可以揭示新发现的肠道功能。我们目前缺乏对胃液、电解质、激素和其他肠道代谢物如何协调在一起建立健康肠道的深入理解。因此，我们可以放心地认为，这些高度集成的可摄取传感器是我们肠道健康的未来。
关于作者：Subhra Pradhan 。Subhra在印度加尔各答大学获得生物学学士学位，在印度Kalyani大学获得生物技术硕士学位。她成功地在印度化学生物学研究所获得了微生物学博士学位，她的研究重点是病原菌的分子遗传学。
编译：枭枭
