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- 活體傳感器探索腸道的奧秘
- 來(lái)源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/12/1
示意圖說(shuō)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(lái)源:Xinyue Liu 等
在過(guò)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(shuō):“挑戰(zhàn)在于腸道就像一個(gè)黑匣子。我們?nèi)匀粵](méi)有完全理解它,因?yàn)樗茈y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(wèn)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(pán)中,并被攝入。反過(guò)來(lái),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(pán)后,可以分析椎間盤(pán)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(zhǎng)的時(shí)間來(lái)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(pán)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(lái)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(shuō)。Traverso 沒(méi)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(kāi)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(shuō)。
Xinyue Liu 和 Maria Eugenia Inda 拿著他們和麻省理工學(xué)院的同事用來(lái)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(lái)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(wèn)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(pán)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(pán)中存活和繁殖長(zhǎng)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(pán)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(wèn)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(pán)內(nèi)的細(xì)菌存活。他們共同開(kāi)發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)。
走向未來(lái)
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(shuō):“通過(guò)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(guò)飲食改變、治療方法或宿主或微生物!
反過(guò)來(lái),這些測(cè)試應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生對(duì)人類應(yīng)用的新見(jiàn)解。
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