研究人员正在更深入地理解胃肠道（GI）在维持整体健康中的关键作用。除了其主要的消化功能外，GI系统还参与激素、免疫细胞和神经递质的生成，这些物质会影响大脑功能和情绪健康。
因此，胃肠道中含有大量有价值的生物标志物，可用于诊断、追踪和管理疾病——从与代谢综合征相关的短链脂肪酸到与炎症相关的细胞因子。
然而，目前的技术在直接从胃肠道捕获生化信息方面存在不足。现有方法如粪便采样和组织活检通常具有侵入性、成本高昂，并且无法在整个消化系统中提供连续或全面的实时数据。
加州理工学院开发的PillTrek智能胶囊直径仅为7毫米，长度25毫米，比目前市面上用于内窥镜检查的胶囊相机更小，但其具备在肠道内执行多种电化学测量的能力。该设备内置紧凑的无线电化学系统，采用低成本传感器和低功耗电子元件。
“我们设计这颗药丸作为一个非常通用的平台，”加州理工学院医学工程教授、Heritage医学研究所研究员Wei Gao表示，“从电化学传感的角度来看，它非常强大。它能够测量代谢物、离子、血清素和多巴胺等激素，甚至可能测量蛋白质，而这一切都发生在复杂的肠道环境中。”
这项研究发表在最新一期的《Nature Electronics》期刊上。论文第一作者为加州理工学院医学工程博士后Jihong Min和韩国科学技术院（KAIST）研究生、加州理工学院访问研究员Hyunah Ahn。
为了展示其能力，PillTrek在动物模型中进行了测试，成功测量了pH值和温度，以及葡萄糖水平和神经递质血清素的变化。
Gao指出，胶囊内的电化学工作站是可重构的。可以轻松更换各种传感器，以实现对肠道内不同参数的测量。他的团队此前开发了一种技术，可以在塑料基板上3D打印低成本传感器。该技术可用于大规模生产PillTrek所需的传感器。
未来的研究方向包括进一步小型化。Gao表示，他正在与加州理工学院电气工程与医学工程Andrew and Peggy Cherng讲席教授Azita Emami合作，研究无线电力传输和更小的电子元件，以使PillTrek更小、功耗更低。
“可吞服胶囊在慢性病的诊断、监测和管理方面具有巨大潜力，但此前的设备在传感能力、续航和尺寸方面都非常有限，”Emami表示，她同时也是“感知智能中心”的主任。“这项工作是迈向能够为患者和医生提供有意义医疗信息设备的重要转化步骤。”
该研究得到了美国国家科学基金会、国立卫生研究院、美国癌症协会、陆军研究办公室、美国陆军医学研究采购活动、韩国国家研究基金会、Heritage医学研究所，以及KAIST-加州大学伯克利分校-越南国家大学全球气候变化研究中心的资金支持。研究团队还得到了加州理工学院Kavli纳米科学研究所的关键支持和基础设施保障。
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