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間里，對人類腸道及其工作關鍵微生物——腸道微生物組的研究蓬勃發(fā)展，因為科學家們已經(jīng)了解到，整個系統(tǒng)對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，甚至與兒童多動癥有關。與此同時，科學家們也在努力為腸道特定疾�。ㄈ缃Y(jié)腸癌）創(chuàng)造更好的診斷和治療方法。

麻省理工學院電氣工程和計算機科學系 (EECS) 皮尤博士后研究員 Maria Eugenia Inda 說：“挑戰(zhàn)在于腸道就像一個黑匣子。我們?nèi)匀粵]有完全理解它，因為它很難獲得和研究�！� ）。

Inda 及其同事在《高級功能材料》雜志上報告了一種解決該問題的新方法。他們的工作涉及將活細菌封裝在一個微小的、柔軟的水凝膠盤中，并被攝入。反過來，這些細菌可以檢測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)的細菌以確定它們檢測到的細菌和濃度。

為了讓這些活的傳感器在腸道中保持足夠長的時間來完成它們的工作，而不是在 6 到 48 小時內(nèi)自然排泄，該團隊使圓盤具有磁性。結(jié)合一個小的可穿戴磁鐵，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)被排出并準備好進行分析。

“這項令人興奮的技術提供了一種急需的工具來幫助控制和了解胃腸道中產(chǎn)生的化學物質(zhì)的不平衡，”麻省理工學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 沒有參與這項研究。

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

“我們開發(fā)了新的軟材料，如磁性水凝膠，并研究了它們在腸道中的變形和粘附等極端力學。我們與盧實驗室合作，探索了軟材料對生物材料和生物醫(yī)學的影響，”趙說。

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

與趙、盧和英達一起，其他作者是研究生劉新月、訪問學生楊月英、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。馬和英達在盧實驗室；其他人隸屬于趙實驗室。Inda、Liu 和 Yang 對這項工作做出了同等貢獻。

許多挑戰(zhàn)

該新型功能材料紙報告對使水凝膠細菌系統(tǒng)在腸道現(xiàn)實的重要進展。例如，研究人員描述了水凝膠圓盤的最佳“配方”，它不僅可以為細菌傳感器提供一個家——并允許它們繁殖——而且還可以在與腸道系統(tǒng)相關的運動和壓力下存活而不破裂或被驅(qū)逐。

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

該系統(tǒng)中使用的細菌由 Lu 實驗室進行基因工程改造，以檢測與出血相關的因素。Lu 實驗室正在研究各種其他基因工程細菌，這些細菌不僅能夠檢測多種化學物質(zhì)，還能在遇到問題時釋放治療劑。

除了細菌傳感器，該團隊還在水凝膠中加入了一個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 強調(diào)工作的協(xié)作性。例如，劉欣悅等水凝膠專家的目標是使凝膠基質(zhì)足夠堅固，可以在腸道內(nèi)存活。生物學家，如 Inda，專注于保持水凝膠盤內(nèi)的細菌存活。他們共同開發(fā)了一個系統(tǒng)來實現(xiàn)這兩個目標。

走向未來

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

Rabia Yazicigil 是波士頓大學電氣與計算機工程系的助理教授。未參與該研究的 Yazicigil 說：“通過在腸道特定區(qū)域定位診斷細菌，可以在動物模型中方便地測試生物學假設和治療方法，例如，通過飲食改變、治療方法或宿主或微生物。”

反過來，這些測試應該會產(chǎn)生對人類應用的新見解。