智能药丸可以实时跟踪关键生物标志物

来自麻省理工学院，波士顿大学和其他地方的研究人员报告了一种蓝莓大小的智能药丸，可能会改变肠道疾病的诊断和治疗。这是因为它是第一种与摄入兼容的技术，可以自动检测并实时报告可能指示问题的关键生物分子。

这项工作发表在8月10日的《 自然》杂志上。该论文的其他作者是波士顿布莱根妇女医院、芝加哥大学和ADI公司的研究人员。

这项新研究大大推进了2018年《 科学》杂志上报道的早期研究。目前的药丸大约是 《科学》 杂志报道的原型的六分之一，符合市场上安全、可摄入的剂型。它还被设计用于检测关键的生物分子，如一氧化氮和硫化氢的副产物，它们是与肠道疾病相关的炎症的重要信号和介质。

目前诊断肠道内疾病的技术可能是侵入性的（想想结肠镜检查或其他内窥镜手术），并且不能实时检测疾病的分子生物标志物。后者是一个问题，因为几个重要的生物标志物非常短暂，所以它们在目前的技术能够检测到它们之前就消失了。

这种新药已经在猪身上成功测试，将专门设计的活细菌与电子设备和微型电池相结合。当细菌感知到感兴趣的分子时，它们会产生光（细菌本身也已经在动物和小鼠之外成功进行了测试）。然后，药丸电子设备将该光转换为无线信号，当药丸通过肠道时，该信号可以通过身体实时传输到智能手机或其他计算机。

“人类肠道的内部运作仍然是科学的最后前沿之一。我们的新药丸可以解锁有关身体功能，与环境的关系以及疾病和治疗干预的影响的大量信息，“麻省理工学院生物工程，电气工程和计算机科学副教授Timothy Lu说。Lu还隶属于麻省理工学院材料研究实验室和Senti Biosciences，是 《自然》杂志上描述的工作的资深作者。

潜在影响

全世界约有700万人患有炎症性肠病（IBD），如结肠炎或克罗恩病。

“监测IBD最具挑战性的方面之一是对这些患者经常发生的临床发作的预期，这些发作决定了他们疾病的药理学管理。目前，我们没有强大的生物标志物来预测即将到来的炎症发作，因此，患者经常会出现严重的症状，需要住院治疗才能得到适当的管理，“哈佛大学陈曾熙公共卫生学院教授Alessio Fassano说，他没有参与这项研究。“该系统可能在早期诊断，拦截疾病发作和优化治疗计划方面代表IBD管理的游戏规则改变者。

在他们的研究中，研究人员表明，智能药丸可以检测一氧化氮，这是一种与许多IBD相关的短寿命分子。重要的是，传感器还可以检测不同浓度的一氧化氮。“这将使我们能够区分正常情况和疾病，”麻省理工学院电气工程与计算机科学系（EECS）和生物工程系（BE）的皮尤博士后研究员Maria Eugenia Inda说。这也很重要，因为患者的生物标志物水平差异很大。

了解肠道

研究小组表示，可以调整药丸以检测其他关键生物标志物。因此，Inda也对该系统的潜力感到兴奋，该系统可以让科学家更好地了解肠道微生物组，或者隐藏消化食物关键微生物的微妙环境。

目前，肠道就像一个黑匣子。“我们仍然不完全理解它，因为它很难访问和学习。我们缺乏探索它的工具，“她说。“更多地了解肠道化学环境可以帮助我们在炎症接管之前识别引起炎症的因素来预防疾病。

除了肠道之外，该团队的微生物和电子设备的组合可以广泛用于健康监测。“我们发挥了生物学和电子学的优势 – 我们的小药丸显示了当我们可以将细菌传感与无线通信连接起来时的可能性，”麻省理工学院机械工程系（MechE）的研究科学家Miguel Jimenez说。Inda和Jimenez是该论文的共同第一作者。

“通过这一发展，我们描述了一个独特的胃肠道评估平台，我们预计可以帮助许多人，”MechE副教授，布莱根妇女医院胃肠病学家Giovanni Traverso说，该研究的资深作者之一。

梦幻般的旅程

英达将这项研究与1966年的电影《奇妙之旅》（Fantastic Voyage）进行了比较，这部电影讲述了四位科学家缩小自己以适应一艘穿过病人动脉的小型潜艇来治疗他大脑中的问题。“我们科学家不能这样做，”她笑着说，“但现在我们可以派细菌做类似的事情。合成生物学的快速发展使我们能够利用活细胞的信息处理能力在这种难以进入的环境中诊断疾病。

Inda，Jimenez，Traverso和Lu的 Nature 论文合著者是MechE的Christoph Steiger，Alison Hayward，Adam Wentworth和Wiam Madani，麻省理工学院科赫综合癌症研究所和布莱根妇女医院（BWH）;科赫研究所的Nhi Phan和Jenna Ahn;波士顿大学电气与计算机工程系的刘启军（也是 2022 年电子论文的第一作者）、阿尔斯兰·里亚兹、帖木儿·齐尔蒂洛格鲁和拉比亚·亚齐西吉尔;BWH的Kaitlyn Wong和Ronan McNally;科赫研究所和BWH的石田惠子;MechE、科赫研究所和麻省理工学院比较医学部（DCM）的Niora Fabian;MechE和Koch Institute的Josh Jenkins和Johannes Kuosmanen;BE和EECS的赖勇;MechE，科赫研究所，BWH和DCM的Alison Hayward;芝加哥大学的马克·米米;ADI公司的菲利普·纳多;和麻省理工学院工程学院院长Anantha Chandrakasan，EECS教授。

这项工作得到了Leona M.和Harry B. Helmsley慈善信托基金，皮尤慈善信托基金，空间健康转化研究所，麻省理工学院机械工程系，麻省理工学院Karl van Tassel（1925）职业发展教授职位和催化剂基金会的支持。