示意图说明使用封装在磁性水凝胶装置中的活传感器用于肠道研究。图片来源：Xinyue Liu 等

在过去十年左右的时间里，对人类肠道及其工作关键微生物——肠道微生物组的研究蓬勃发展，因为科学家们已经了解到，整个系统对我们身体的影响比以前想象的要大得多。例如，肠道中产生的化学物质不平衡与帕金森氏症和阿尔茨海默氏症等疾病有关，甚至与儿童多动症有关。与此同时，科学家们也在努力为肠道特定疾病（如结肠癌）创造更好的诊断和治疗方法。

麻省理工学院电气工程和计算机科学系 (EECS) 皮尤博士后研究员 Maria Eugenia Inda 说：“挑战在于肠道就像一个黑匣子。我们仍然没有完全理解它，因为它很难获得和研究。” ）。

Inda 及其同事在《高级功能材料》杂志上报告了一种解决该问题的新方法。他们的工作涉及将活细菌封装在一个微小的、柔软的水凝胶盘中，并被摄入。反过来，这些细菌可以检测出可能表明疾病的化合物。在最终排出椎间盘后，可以分析椎间盘内的细菌以确定它们检测到的细菌和浓度。

为了让这些活的传感器在肠道中保持足够长的时间来完成它们的工作，而不是在 6 到 48 小时内自然排泄，该团队使圆盘具有磁性。结合一个小的可穿戴磁铁，这可以使系统在内部保持几天。取下磁铁，传感器及其数据被排出并准备好进行分析。

“这项令人兴奋的技术提供了一种急需的工具来帮助控制和了解胃肠道中产生的化学物质的不平衡，”麻省理工学院工程系卡尔范塔塞尔 (1925) 职业发展教授乔瓦尼特拉弗索说。Traverso 没有参与这项研究。

Advanced Functional Materials论文的资深作者是麻省理工学院EECS和生物工程副教授Timothy Lu和麻省理工学院机械工程和土木与环境工程教授赵宣和。Lu 还隶属于麻省理工学院的材料研究实验室。

“我们开发了新的软材料，如磁性水凝胶，并研究了它们在肠道中的变形和粘附等极端力学。我们与卢实验室合作，探索了软材料对生物材料和生物医学的影响，”赵说。

Xinyue Liu 和 Maria Eugenia Inda 拿着他们和麻省理工学院的同事用来制造用于肠道研究的活体传感器的一些设备。刘是麻省理工学院的研究生；Inda 是麻省理工学院的博士后研究员。图片来源：刘欣悦和 Maria Eugenia Inda

与赵、卢和英达一起，其他作者是研究生刘新月、访问学生杨月英、研究生林绍廷、博士后研究员吴晶晶、研究生金允浩、博士后助理陈晓宇和博士后马大成。马和英达在卢实验室；其他人隶属于赵实验室。Inda、Liu 和 Yang 对这项工作做出了同等贡献。

许多挑战

该新型功能材料纸报告对使水凝胶细菌系统在肠道现实的重要进展。例如，研究人员描述了水凝胶圆盘的最佳“配方”，它不仅可以为细菌传感器提供一个家——并允许它们繁殖——而且还可以在与肠道系统相关的运动和压力下存活而不破裂或被驱逐。

研究小组表明，细菌确实可以在水凝胶盘中存活和繁殖长达 7 天。在小鼠中，细菌成功地感知到肠道出血。此外，在人体肠道模型中，科学家们表明可穿戴磁铁将圆盘固定在几个不同的位置，包括小肠和升结肠。

该系统中使用的细菌由 Lu 实验室进行基因工程改造，以检测与出血相关的因素。Lu 实验室正在研究各种其他基因工程细菌，这些细菌不仅能够检测多种化学物质，还能在遇到问题时释放治疗剂。

除了细菌传感器，该团队还在水凝胶中加入了一个微型电子温度传感器。这也奏效了，显示了将微电子和活体传感器集成到水凝胶系统中的潜力。

Inda 强调工作的协作性。例如，刘欣悦等水凝胶专家的目标是使凝胶基质足够坚固，可以在肠道内存活。生物学家，如 Inda，专注于保持水凝胶盘内的细菌存活。他们共同开发了一个系统来实现这两个目标。

走向未来

Inda 指出，虽然该系统可能需要一段时间才能用于人类，但“它今天可以用于实验室小鼠。”

Rabia Yazicigil 是波士顿大学电气与计算机工程系的助理教授。未参与该研究的 Yazicigil 说：“通过在肠道特定区域定位诊断细菌，可以在动物模型中方便地测试生物学假设和治疗方法，例如，通过饮食改变、治疗方法或宿主或微生物。”

反过来，这些测试应该会产生对人类应用的新见解。