示意圖說明使用封裝在磁性水凝膠裝置中的活傳感器用于腸道研究。圖片來源：Xinyue Liu 等

在過去十年左右的時(shí)間里，對(duì)人類腸道及其工作關(guān)鍵微生物——腸道微生物組的研究蓬勃發(fā)展，因?yàn)榭茖W(xué)家們已經(jīng)了解到，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)我們身體的影響比以前想象的要大得多。例如，腸道中產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)不平衡與帕金森氏癥和阿爾茨海默氏癥等疾病有關(guān)，甚至與兒童多動(dòng)癥有關(guān)。與此同時(shí)，科學(xué)家們也在努力為腸道特定疾病（如結(jié)腸癌）創(chuàng)造更好的診斷和治療方法。

麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系 (EECS) 皮尤博士后研究員 Maria Eugenia Inda 說：“挑戰(zhàn)在于腸道就像一個(gè)黑匣子。我們?nèi)匀粵]有完全理解它，因?yàn)樗�很難獲得和研究。” ）。

Inda 及其同事在《高級(jí)功能材料》雜志上報(bào)告了一種解決該問題的新方法。他們的工作涉及將活細(xì)菌封裝在一個(gè)微小的、柔軟的水凝膠盤中，并被攝入。反過來，這些細(xì)菌可以檢測(cè)出可能表明疾病的化合物。在最終排出椎間盤后，可以分析椎間盤內(nèi)的細(xì)菌以確定它們檢測(cè)到的細(xì)菌和濃度。

為了讓這些活的傳感器在腸道中保持足夠長的時(shí)間來完成它們的工作，而不是在 6 到 48 小時(shí)內(nèi)自然排泄，該團(tuán)隊(duì)使圓盤具有磁性。結(jié)合一個(gè)小的可穿戴磁鐵，這可以使系統(tǒng)在內(nèi)部保持幾天。取下磁鐵，傳感器及其數(shù)據(jù)被排出并準(zhǔn)備好進(jìn)行分析。

“這項(xiàng)令人興奮的技術(shù)提供了一種急需的工具來幫助控制和了解胃腸道中產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)的不平衡，”麻省理工學(xué)院工程系卡爾范塔塞爾 (1925) 職業(yè)發(fā)展教授喬瓦尼特拉弗索說。Traverso 沒有參與這項(xiàng)研究。

Advanced Functional Materials論文的資深作者是麻省理工學(xué)院EECS和生物工程副教授Timothy Lu和麻省理工學(xué)院機(jī)械工程和土木與環(huán)境工程教授趙宣和。Lu 還隸屬于麻省理工學(xué)院的材料研究實(shí)驗(yàn)室。

“我們開發(fā)了新的軟材料，如磁性水凝膠，并研究了它們?cè)谀c道中的變形和粘附等極端力學(xué)。我們與盧實(shí)驗(yàn)室合作，探索了軟材料對(duì)生物材料和生物醫(yī)學(xué)的影響，”趙說。

Xinyue Liu 和 Maria Eugenia Inda 拿著他們和麻省理工學(xué)院的同事用來制造用于腸道研究的活體傳感器的一些設(shè)備。劉是麻省理工學(xué)院的研究生；Inda 是麻省理工學(xué)院的博士后研究員。圖片來源：劉欣悅和 Maria Eugenia Inda

與趙、盧和英達(dá)一起，其他作者是研究生劉新月、訪問學(xué)生楊月英、研究生林紹廷、博士后研究員吳晶晶、研究生金允浩、博士后助理陳曉宇和博士后馬大成。馬和英達(dá)在盧實(shí)驗(yàn)室；其他人隸屬于趙實(shí)驗(yàn)室。Inda、Liu 和 Yang 對(duì)這項(xiàng)工作做出了同等貢獻(xiàn)。

許多挑戰(zhàn)

該新型功能材料紙報(bào)告對(duì)使水凝膠細(xì)菌系統(tǒng)在腸道現(xiàn)實(shí)的重要進(jìn)展。例如，研究人員描述了水凝膠圓盤的最佳“配方”，它不僅可以為細(xì)菌傳感器提供一個(gè)家——并允許它們繁殖——而且還可以在與腸道系統(tǒng)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)和壓力下存活而不破裂或被驅(qū)逐。

研究小組表明，細(xì)菌確實(shí)可以在水凝膠盤中存活和繁殖長達(dá) 7 天。在小鼠中，細(xì)菌成功地感知到腸道出血。此外，在人體腸道模型中，科學(xué)家們表明可穿戴磁鐵將圓盤固定在幾個(gè)不同的位置，包括小腸和升結(jié)腸。

該系統(tǒng)中使用的細(xì)菌由 Lu 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基因工程改造，以檢測(cè)與出血相關(guān)的因素。Lu 實(shí)驗(yàn)室正在研究各種其他基因工程細(xì)菌，這些細(xì)菌不僅能夠檢測(cè)多種化學(xué)物質(zhì)，還能在遇到問題時(shí)釋放治療劑。

除了細(xì)菌傳感器，該團(tuán)隊(duì)還在水凝膠中加入了一個(gè)微型電子溫度傳感器。這也奏效了，顯示了將微電子和活體傳感器集成到水凝膠系統(tǒng)中的潛力。

Inda 強(qiáng)調(diào)工作的協(xié)作性。例如，劉欣悅等水凝膠專家的目標(biāo)是使凝膠基質(zhì)足夠堅(jiān)固，可以在腸道內(nèi)存活。生物學(xué)家，如 Inda，專注于保持水凝膠盤內(nèi)的細(xì)菌存活。他們共同開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)。

走向未來

Inda 指出，雖然該系統(tǒng)可能需要一段時(shí)間才能用于人類，但“它今天可以用于實(shí)驗(yàn)室小鼠�！�

Rabia Yazicigil 是波士頓大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系的助理教授。未參與該研究的 Yazicigil 說：“通過在腸道特定區(qū)域定位診斷細(xì)菌，可以在動(dòng)物模型中方便地測(cè)試生物學(xué)假設(shè)和治療方法，例如，通過飲食改變、治療方法或宿主或微生物�！�

反過來，這些測(cè)試應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生對(duì)人類應(yīng)用的新見解。