如今，醫療電子技術的發展可謂日新月異。過去的醫療電子設備往往體積笨重，造價昂貴，只能存放于實驗室中，需要專業技術人員才能操作，經過很長時間才能得到檢測結果。隨著半導體、無線通信、物聯網、新材料等技術的進一步發展，醫療電子設備呈現出了小型化、便攜化、低成本、低功耗等新的發展趨勢。

近日，MIT 研究人員開發出一種可攝取的傳感器，它裝備了基因工程細菌，能診斷胃出血或者其他胃腸道問題。

這種“芯片上的細菌”（bacteria-on-a-chip）方案將活細胞制成的傳感器與超低功耗電子器件相結合，通過超低功耗電子器件將細菌的響應轉化為智能手機可以讀取的無線信號。

在這項研究中，研究人員設計出能對血液中的血紅素作出反應的傳感器，并展示該傳感器可以在豬身體上工作。此外，他們也設計出了能對炎癥標記物分子作出反應的傳感器。

據悉，該研究的相關論文發表于《科學》雜志網絡版。Lu 與麻省理工學院工學院院長、電氣工程與計算機科學系教授 Anantha Chandrakasan 都是這篇論文的高級作者。論文的領導作者是研究生 Mark Mimee 和前麻省理工學院博士后研究員 Phillip Nadeau。

過去十年來，在對于環境污染物或者疾病標志物的刺激作出反應的工程細菌研究方面，合成生物學家已經取得了巨大進步。當這些細菌檢測到目標刺激時，可以產生諸如光線等輸出，但是測量這些響應通常需要專門的實驗室設備。

為了使得這些細菌更適合真實世界的應用，MIT 團隊決定將它們與電子芯片相結合，因為電子芯片可以將細菌的響應轉化為無線信號。

在最初的演示中，研究人員主要關注了胃腸道出血。他們設計了大腸桿菌的益生菌菌株來表達基因電路。當細菌遇到血紅素時，這種基因電路會使得細菌激發光。

他們將細菌安放到傳感器上的四個井中，并由半透膜覆蓋。周圍環境中的小分子能夠擴散通過這種半透膜。每個井的下面有一個光電晶體管，用于測量細菌細胞產生的光線量，并將信息傳遞至微處理器，然后微處理器會將無線信號發送至鄰近的計算機或者智能手機。同時，他們也設計了一個安卓應用程序，用于分析數據。

這種傳感器外形是一個長1.5英寸的圓柱，功率是13微瓦。研究人員為傳感器裝備了2.7伏的電池，他們估計，這個電池可維持設備一個半月的連續運行。他們說，采用Nadeau 和 Chandrakasan之前開發的技術，即通過胃中的酸性液體提供能量的伏打電池也可以為這個設備供電。

研究人員在豬身上測試了這種可攝取的傳感器，結果顯示它可以正確地判斷豬胃中有沒有出血。他們預測，這種傳感器既可以一次性使用，也可以在消化道中存留幾天或幾周，持續發送信號。

目前，如果病人被懷疑出現胃潰瘍出血，他們就必須經受內窺鏡檢查，而這通常會需要病人接受鎮靜。

Mimee 表示：“這種傳感器的目標就是，你將可以通過服用膠囊，避免不必要的手術，并在相對較短的時間內，了解是否出血。”

麻省理工學院電氣工程與計算機科學系和生物工程系副教授 Timothy Lu 表示：“我們通過將人造的生物傳感器與低功耗無線電子器件結合到一起，幾乎可以實時地檢測人體內的生物信號，從而為人類健康應用開啟新的診斷能力。”

Chandrakasan 表示：“這項研究的重點在于系統設計和集成，將細菌感知的能力與超低功耗電路相結合，實現重要的健康感知應用。”

為了將這項技術推進到讓患者使用，研究人員計劃降低傳感器的尺寸，并研究在消化道中細菌細胞可以存活多久。除了檢測出血，他們也希望開發能檢測其他胃腸疾病的傳感器。