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FPC之可攝取傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

2020-09-07 10:18

什么是可攝取傳感器?

  簡(jiǎn)單來說,它們是一種可攝取的電子設(shè)備,大概只有藥囊大小,由生物相容性材料組成,包括電源、微處理器、控制器、傳感器等,使設(shè)備具備遠(yuǎn)程通信能力,用于醫(yī)療行業(yè)的疾病診斷和監(jiān)測(cè)。

  重要的是,由于它們是非侵入性的,這種實(shí)時(shí)醫(yī)療技術(shù)可以產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前傳感器的能力。FPC小編了解到,可攝取式傳感器技術(shù)是繼可穿戴式傳感器之后的下一步。據(jù)估計(jì),2016年可攝取式傳感器的市場(chǎng)規(guī)模約為4.91億美元,到2024年,這一數(shù)字可能以高達(dá)19%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。它是疾病診斷、監(jiān)測(cè)和管理領(lǐng)域的一項(xiàng)顛覆性技術(shù)。因此,“智能藥丸”領(lǐng)域非常值得探索。

芯片上的細(xì)菌

  在2018年5月《科學(xué)》雜志上的一篇文章中,研究人員提出了一種新型可攝取的微型生物電子裝置(IMBED),可用于監(jiān)測(cè)腸道健康。作為概念驗(yàn)證,該小組設(shè)計(jì)了一種“血紅素敏感的益生菌生物傳感器”,可用于檢測(cè)胃腸道(GI)出血。前幾代的可攝取傳感器主要測(cè)量pH值、溫度、壓力和藥物的依從性,但這是第一次將該技術(shù)推向具體診斷。

  細(xì)菌可以被看作是納米生物傳感器,因?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^特定的遺傳途徑感知大量的外部物理和化學(xué)參數(shù)。

  在智能藥丸IMBED中,科學(xué)家們利用乳球菌和大腸桿菌O157:H7細(xì)菌的血紅素感應(yīng)基因成分來感應(yīng)細(xì)胞外環(huán)境中的血液,并將其改造為生物發(fā)光(PhotorhabdusluminescensluxCDABE),產(chǎn)生輸出信號(hào)。然后將該系統(tǒng)引入腸道友好型細(xì)菌菌株中,該藥丸裝置在一個(gè)由胃酸供電的電池上運(yùn)行,并在小鼠和豬身上進(jìn)行了測(cè)試,其中誘發(fā)了消化道出血,攝入的裝置能夠檢測(cè)血紅蛋白中的持鐵分子--血紅素,因?yàn)樗募{米生物發(fā)光信號(hào)經(jīng)過處理后傳輸?shù)搅艘粋€(gè)安卓應(yīng)用程序中。

怎么檢測(cè)的呢?

  簡(jiǎn)而言之,生物發(fā)光被存在于設(shè)備內(nèi)的一個(gè)基于低功耗芯片的光度計(jì)檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。軟板廠發(fā)現(xiàn),這些代碼被無線傳輸?shù)襟w外進(jìn)行顯示和量化。該光度計(jì)由非常高效的光電晶體管組成,以檢測(cè)光子通量。在這個(gè)特殊的原型中,光電流被無線測(cè)量了兩個(gè)小時(shí)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過定制的應(yīng)用軟件在安卓手機(jī)上進(jìn)行可視化和處理。該設(shè)備可以很容易地檢測(cè)到環(huán)境中的血液。

  被設(shè)計(jì)成檢測(cè)特定分子的細(xì)菌被放置在定制設(shè)計(jì)的傳感器上的四個(gè)孔中,該傳感器連接到一個(gè)微處理器上,將感官信息轉(zhuǎn)換為無線信號(hào)。

  目前,人們認(rèn)識(shí)到,藥丸需要調(diào)整大小,因?yàn)樗鼈兊某叽纾ù蠹s1.5英寸)阻礙了人體試驗(yàn)。這一概念也被推斷為使用非致病性大腸桿菌Nissle1917檢測(cè)其他分子,如?;?高絲氨酸內(nèi)酯。這些IMBED在檢測(cè)使用傳統(tǒng)糞便檢測(cè)難以檢測(cè)的腸道內(nèi)小分子方面顯示出巨大的前景。這是基礎(chǔ)生物學(xué)、電子學(xué)和工程學(xué)的精彩結(jié)合,必將有助于我們對(duì)腸道問題的理解。

腸道氣體傳感器

  我們可以把腸道想象成這樣的一個(gè)具有生命力的場(chǎng)景:里面的食物被消化和分解,化學(xué)物質(zhì)和氣體在細(xì)胞之間交換,食物顆粒也在進(jìn)行化學(xué)和物理相互作用。

  因此,對(duì)腸道環(huán)境的實(shí)時(shí)傳感可以為我們提供大量前所未見的腸道事件。其中,腸道氣體可以作為細(xì)菌生物量和存在于腸道中的化學(xué)分析物的代表進(jìn)行測(cè)量。因此,腸道氣體分析可以完美地開發(fā)消化道疾病的生物標(biāo)志物。

  2018年1月,澳大利亞科學(xué)家在《自然電子學(xué)》上發(fā)表的一項(xiàng)研究展示了腸道氣體感應(yīng)數(shù)字藥丸的首次人體試驗(yàn),為腸道活動(dòng)提供了一些強(qiáng)大的新見解。

  這項(xiàng)研究可能會(huì)對(duì)腸道診斷領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響,因?yàn)閾?jù)估計(jì),全球近五分之一的人將患有腸道疾病。這種數(shù)字藥丸具有氧氣、氫氣和二氧化碳的氣體傳感器,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以通過基于智能手機(jī)的應(yīng)用軟件來獲取。藥丸的結(jié)構(gòu)部件包括透氣膜、簧片開關(guān)、微處理器和無線發(fā)射器。

  此外,研究表明,這些膠囊不存在任何保留問題。該研究還揭示了一些非常新穎的腸道活動(dòng),如產(chǎn)生氧化性化學(xué)物質(zhì)以對(duì)抗外來分子,以及結(jié)腸中存在氧氣,這些發(fā)現(xiàn)直接與以前的認(rèn)識(shí)相矛盾。

  研究負(fù)責(zé)人、膠囊的共同發(fā)明人KouroshKalantar-zadeh教授評(píng)論說:“試驗(yàn)表明,在極高纖維飲食下,結(jié)腸中存在高濃度的氧氣。這與過去認(rèn)為結(jié)腸總是無氧的觀點(diǎn)相矛盾。這一新信息可以幫助我們更好地了解結(jié)腸癌等衰弱疾病是如何發(fā)生的。”

  該試驗(yàn)在7名健康人身上進(jìn)行,具體飲食由高纖維或低纖維組成。結(jié)果清楚地顯示了準(zhǔn)確的食物發(fā)酵發(fā)病時(shí)間。柔性電路板廠獲悉,,該小組目前正走在該技術(shù)和產(chǎn)品的商業(yè)化和市場(chǎng)化道路上。他們已經(jīng)與PlanetInnovaTIon合作,成立了AtmoBiosciences公司以進(jìn)行II期臨床試驗(yàn)。這可以徹底改變我們對(duì)腸道,胃腸道生物分子,食物滯留時(shí)間,消化,食物吸收或缺乏,微生物組組成等的理解,這些都是實(shí)時(shí)且以非侵入性方式進(jìn)行的。

遵守藥物監(jiān)控

  AbilifyMyCite是第一種含有數(shù)字跟蹤系統(tǒng)的藥片,已被美國(guó)食品和藥物管理局批準(zhǔn),可供醫(yī)生用于監(jiān)測(cè)精神障礙患者的藥物攝入情況。由于依從性是至關(guān)重要的,而且往往是一些患者的問題,這種新型智能藥丸可以更嚴(yán)格地監(jiān)測(cè)和管理藥物依從性計(jì)劃。

  該膠囊?guī)в幸粋€(gè)嵌入式傳感器、可穿戴貼片和軟件應(yīng)用。每當(dāng)患者不遵守藥物治療方案時(shí),軟件就可以向醫(yī)生發(fā)出警報(bào)。此外,通過智能手機(jī)可以輕松地通過門戶網(wǎng)站獲取數(shù)據(jù)。這是由大冢制藥和ProteusDigitalHealth合作完成的。

未來的發(fā)展方向

  可攝入傳感器仍然是一個(gè)新概念,吞下一個(gè)包含所有電子元件的傳感器的想法仍然是一個(gè)心理挑戰(zhàn)。制藥公司和監(jiān)管機(jī)構(gòu)必須保持嚴(yán)格的安全準(zhǔn)則。

  此外,該領(lǐng)域還必須克服與產(chǎn)品開發(fā)相關(guān)的大量支出的巨大障礙,因?yàn)檫@些技術(shù)需要發(fā)明新的集成技術(shù),這個(gè)問題可能會(huì)減緩開發(fā)速度。

  然而,通過這種可攝取的技術(shù)所獲得的信息具有巨大的潛力,可以揭示新發(fā)現(xiàn)的腸道功能。我們目前缺乏對(duì)胃液、電解質(zhì)、激素和其他腸道代謝物如何協(xié)調(diào)在一起建立健康腸道的深入理解。因此,我們可以放心地認(rèn)為,這些高度集成的可攝取傳感器是我們腸道健康的未來。

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