什么是可攝取傳感器？

  簡單來說，它們是一種可攝取的電子設備，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，使設備具備遠程通信能力，用于醫療行業的疾病診斷和監測。

  重要的是，由于它們是非侵入性的，這種實時醫療技術可以產生深遠的影響，遠遠超出目前傳感器的能力。可攝取式傳感器技術是繼可穿戴式傳感器之后的下一步。據估計，2016年可攝取式傳感器的市場規模約為4.91億美元，到2024年，這一數字可能以高達19%的年復合增長率增長。它是疾病診斷、監測和管理領域的一項顛覆性技術。因此，“智能藥丸 ”領域非常值得探索。

  芯片上的細菌

  在2018年5月《科學》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），可用于監測腸道健康。作為概念驗證，該小組設計了一種 “血紅素敏感的益生菌生物傳感器”，可用于檢測胃腸道（GI）出血。前幾代的可攝取傳感器主要測量pH值、溫度、壓力和藥物的依從性，但這是**次將該技術推向具體診斷。

  細菌可以被看作是納米生物傳感器，因為它們可以通過特定的遺傳途徑感知大量的外部物理和化學參數。

  在智能藥丸IMBED中，科學家們利用乳球菌和大腸桿菌O157:H7細菌的血紅素感應基因成分來感應細胞外環境中的血液，并將其改造為生物發光（Photorhabdus luminescens luxCDABE），產生輸出信號。然后將該系統引入腸道友好型細菌菌株中，該藥丸裝置在一個由胃酸供電的電池上運行，并在小鼠和豬身上進行了測試，其中誘發了消化道出血，攝入的裝置能夠檢測血紅蛋白中的持鐵分子--血紅素，因為它的納米生物發光信號經過處理后傳輸到了一個安卓應用程序中。

  怎么檢測的呢？

  簡而言之，生物發光被存在于設備內的一個基于低功耗芯片的光度計檢測并轉換成數字代碼。這些代碼被無線傳輸到體外進行顯示和量化。該光度計由非常高效的光電晶體管組成，以檢測光子通量。在這個特殊的原型中，光電流被無線測量了兩個小時。實時數據通過定制的應用軟件在安卓手機上進行可視化和處理。該設備可以很容易地檢測到環境中的血液。

  被設計成檢測特定分子的細菌被放置在定制設計的傳感器上的四個孔中，該傳感器連接到一個微處理器上，將感官信息轉換為無線信號。

  圖片：Melanie Gonick/MIT Melanie Gonick/MIT

  目前，人們認識到，藥丸需要調整大小，因為它們的尺寸（大約1.5英寸）阻礙了人體試驗。這一概念也被推斷為使用非致病性大腸桿菌Nissle 1917檢測其他分子，如酰基-高絲氨酸內酯。這些IMBED在檢測使用傳統糞便檢測難以檢測的腸道內小分子方面顯示出巨大的前景。這是基礎生物學、電子學和工程學的精彩結合，必將有助于我們對腸道問題的理解。

  腸道氣體傳感器

  我們可以把腸道想象成這樣的一個具有生命力的場景：里面的食物被消化和分解，化學物質和氣體在細胞之間交換，食物顆粒也在進行化學和物理相互作用。

  因此，對腸道環境的實時傳感可以為我們提供大量前所未見的腸道事件。其中，腸道氣體可以作為細菌生物量和存在于腸道中的化學分析物的**進行測量。因此，腸道氣體分析可以完美地開發消化道疾病的生物標志物。

  2018年1月，澳大利亞科學家在《自然電子學》上發表的一項研究展示了腸道氣體感應數字藥丸的**人體試驗，為腸道活動提供了一些強大的新見解。

  可吞咽傳感器的特寫。圖片：Peter Clarke/MIT大學。Peter Clarke/MIT大學

  這項研究可能會對腸道診斷領域產生重大影響，因為據估計，全球近五分之一的人將患有腸道疾病。這種數字藥丸具有氧氣、氫氣和二氧化碳的氣體傳感器，產生的數據可以通過基于智能手機的應用軟件來獲取。藥丸的結構部件包括透氣膜、簧片開關、微處理器和無線發射器。

  此外，研究表明，這些膠囊不存在任何保留問題。

  該研究還揭示了一些非常新穎的腸道活動，如產生氧化性化學物質以對抗外來分子，以及結腸中存在氧氣，這些發現直接與以前的認識相矛盾。

  研究負責人、膠囊的共同發明人Kourosh Kalantar-zadeh教授評論說：“試驗表明，在極高纖維飲食下，結腸中存在高濃度的氧氣。這與過去認為結腸總是無氧的觀點相矛盾。這一新信息可以幫助我們更好地了解結腸*等衰弱疾病是如何發生的。”

  該試驗在7名健康人身上進行，具體飲食由高纖維或低纖維組成。結果清楚地顯示了準確的食物發酵發病時間。據悉，該小組目前正走在該技術和產品的商業化和市場化道路上。他們已經與Planet Innovation合作，成立了Atmo Biosciences公司以進行II期臨床試驗。這可以徹底改變我們對腸道，胃腸道生物分子，食物滯留時間，消化，食物吸收或缺乏，微生物組組成等的理解，這些都是實時且以非侵入性方式進行的。

  膠囊通過胃腸系統移動，并通過手持設備和移動應用程序傳輸信息。照片：Atmo Biosciences

  遵守藥物監控

  Abilify MyCite是**種含有數字跟蹤系統的藥片，已被美國食品和藥物管理局批準，可供醫生用于監測精神障礙患者的藥物攝入情況。由于依從性是至關重要的，而且往往是一些患者的問題，這種新型智能藥丸可以更嚴格地監測和管理藥物依從性計劃。

  該膠囊帶有一個嵌入式傳感器、可穿戴貼片和軟件應用。每當患者不遵守藥物治療方案時，軟件就可以向醫**出警報。此外，通過智能手機可以輕松地通過門戶網站獲取數據。這是由大冢制藥和Proteus Digital Health合作完成的。

  未來的發展方向

  可攝入傳感器仍然是一個新概念，吞下一個包含所有電子元件的傳感器的想法仍然是一個心理挑戰。制藥公司和監管機構必須保持嚴格的安全準則。

  此外，該領域還必須克服與產品開發相關的大量支出的巨大障礙，因為這些技術需要發明新的集成技術，這個問題可能會減緩開發速度。

  然而，通過這種可攝取的技術所獲得的信息具有巨大的潛力，可以揭示新發現的腸道功能。我們目前缺乏對胃液、電解質、**和其他腸道代謝物如何協調在一起建立健康腸道的深入理解。因此，我們可以放心地認為，這些高度集成的可攝取傳感器是我們腸道健康的未來。

  關于作者：Subhra Pradhan 。Subhra在印度加爾各答大學獲得生物學學士學位，在印度Kalyani大學獲得生物技術碩士學位。她成功地在印度化學生物學研究所獲得了微生物學博士學位，她的研究重點是病原菌的分子遺傳學。

  編譯：梟梟