出品：科普中國

製作：健康學人|三米、李娟

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

(圖片：Unsplash https://images.unsplash.com/photo-1522308300961-fdb949cac8aa?ixlib=rb-1.2.1&ixid=eyJhcHBfaWQiOjEyMDd9&auto=format&fit=crop&w=1950&q=80)

中國是胃腸道疾病的高發國家，如何儘早的對胃腸道進行完備的檢測，對胃腸道疾病特別是胃腸道癌症防控的十分重要。

胃腸道的生理和解剖特徵（口到肛門的開放系統），爲可吞嚥裝置的發展帶來了機遇。通過結合電化學、電磁、光學和聲學的最新進展，可吞嚥裝置能夠進入胃腸道中，從而分析腔內或腔外分析物，爲胃腸道治療的新時代鋪平道路，有望幫助患者接受遠程電子輔助醫療。

胃腸道的結構

爲了更好的理解可吞嚥設備在胃腸道疾病中的應用，我們先來瞭解一下胃腸道的功能和結構。特別注意，這裏的胃腸道指的是廣義的消化系統，不僅僅指的是胃和腸道。

圖 | 消化道結構 (Steiger, C.et al, 2018)

胃腸道的主要功能是消化、代謝和吸收營養物質。除此之外，胃腸道還與免疫系統、神經系統密切相關，同時定植着大量的微生物羣落。

胃腸道是一個有內腔的管狀器官，可以被劃分爲幾個功能不同的區域，這些局部組織特性爲可吞嚥電子設備的目標檢測和治療提供了獨特的機會。

根據它們的解剖位置，胃腸道分爲：

1.食道

進食後，食物最先到達食道，並通過蠕動收縮輸送到胃中。影響食管的重要病理包括癌症、運動障礙、感染、胃液迴流引起的組織刺激和異常擴張的靜脈血管等，這些情況可以使用一般的內窺鏡檢查程序來評估，因此也可以通過可吞嚥的膠囊內窺鏡檢查評估。

2.胃

胃是機械、酶和酸介導的食物消化的重要器官。胃液含鹽酸和相關的酶，如胃蛋白酶和胃脂肪酶。與此同時，胃壁分泌的粘蛋白和碳酸氫鹽建立了一個精細調節的穩態區，這個區域保護上皮細胞不受降解胃液的影響。

幽門螺桿菌是一種革蘭氏陰性細菌，可以在胃粘膜上定居，通過產生氨、蛋白酶、液泡細胞毒素A和磷脂酶，導致胃內環境的失衡。研究表明，幽門螺桿菌感染與胃炎、胃潰瘍和胃癌等有關。這些疾病的診斷通常需要胃鏡檢查和活檢共同進行，也爲新型的可吞嚥胃鏡設備提供了方向。

胃輕癱是一種與胃運動受損相關的醫學病症，常發生在糖尿病患者中，需要用閃爍掃描測量胃排空時間，以便正式診斷。健康的胃通過肌肉收縮將固體和液體食物與胃液混合，以促進機械、酶和酸介導的消化。產生的食糜含有部分消化的食物顆粒，這些顆粒小到足以通過幽門括約肌進入小腸。

3.小腸

在小腸中，蛋白質、脂類和碳水化合物的進一步消化和吸收。粘蛋白和分泌碳酸氫鹽的腺體保護腸壁免於自降解。這種環境的穩態失衡與多種病理生理狀態有關，包括消化性潰瘍和癌症。

小腸的兩層指狀突起大大增加了小腸的表面積，促進了養分吸收。第一層包含絨毛，覆蓋最內層上皮組織層。絨毛上的手指狀突起，稱爲微絨毛，形成第二層外翻。這些絨毛的病理生理學破壞，稱爲絨毛萎縮，通常與腹腔疾病有關。

除此之外，暴露、吸收、微生物羣和免疫反應的穩態失衡也可能導致小腸疾病以及自身免疫疾病如克羅恩病等。運動障礙經常以術後腸梗阻的形式影響小腸。

可吞嚥的膠囊內窺鏡可用於診斷和監測影響小腸的疾病，因爲胃鏡檢查等技術只能觸及小腸的有限區域，雙氣囊小腸鏡檢查可用於評估小腸的更大部分，不過這需要特殊的專業知識和基礎設施。

4.結腸

食糜到達結腸之前，絕大多數營養物質都已經被身體吸收。在結腸中，水被吸收。微生物羣與中樞神經系統和腸神經系統(腸-腦軸)相互作用，從而調節外周免疫反應。研究發現腸道微生物羣落的變化可能與全身炎症疾病有關。因此，已經有研究建議選擇信號分子等分子進行檢測，如微生物分佈或鈣保護素水平，作爲全身和局部胃腸道病理的診斷標記物。

可吞嚥設備的歷史

20世紀50年代，科學家們開發了第一代可吞嚥的電子產品，用於測量胃腸道的壓力、溫度和pH。1980年代末和1990年代初，第一批商用可吞嚥的溫度傳感器進行了臨牀測試。

照相機技術的突破爲可拍照的可吞嚥設備的開發奠定了基礎，2000年推出的PillCam，成爲第一個廣泛使用的可吞嚥電子設備，PillCam爲小腸的檢查提供了便利。美國食品和藥物管理局(FDA)僅用了一年時間就批准了這種膠囊內窺鏡系統。

圖 | 可吞嚥設備的發展歷史 (Steiger, C.et al, 2018)

材料科學、電氣工程和數據科學的突破，以及移動計算和生物醫療的發展，加速了可吞嚥外科和診斷設備的發展。可吞嚥的傳感器開始能夠用來檢測各種各樣的化學信號以檢測監測疾病，如與消化道炎症相關的局部生物標誌物，以及相鄰器官功能信號等。與此同時，醫生和患者對這項技術的廣泛接受（比傳統的胃腸鏡的痛苦低的多），激發了科學家開發更復雜的可吞嚥電子產品的信心，越來越多的產品（包括2013年革命性的遞送藥物系統，2016年的微型Xray檢測系統）被開發出來，提供了更豐富的人體健康數據。

可吞嚥設備臨牀應用

通過檢測胃腸道不同區域的信號，可吞嚥的電子設備可用於系統監測胃腸道健康和疾病。

1.膠囊內窺鏡檢查

膠囊內窺鏡首次被批准用於評估隱匿性胃腸道出血，隨後用於評估炎症性腸病。傳統膠囊內窺鏡包含高分辨率攝像機、氧化銀電池、微控制器、天線和發光二極管。這些設備可以將胃腸道的視頻傳輸至多12小時到可佩戴的接收器。然後，胃腸病學專家在40 - 120分鐘的觀看會話中對視頻進行評估。

研究人員首先通過傳統的上消化道內窺鏡檢查和結腸鏡檢查來評估。如果診斷程序顯示小腸出血，膠囊內鏡檢查可用於收集更多信息。對於疑似克羅恩病患者，在迴腸鏡檢查陰性後，也推薦使用小腸膠囊內窺鏡檢查。

市售膠囊內窺鏡在很大程度上具有記錄和傳輸高質量視頻所需的特徵，不過也有一些挑戰會妨礙這些系統的廣泛使用。如無法操縱設備或進行組織學檢查，以及引發胃腸道阻塞的風險。常規內窺鏡檢查允許額外的環境和方向操作(例如沖洗、抽吸、注射和活檢)，這是當前膠囊內窺鏡無法完成的。

儘管在臨牀環境中已經開發和評估了幾種自主移動的可吞嚥裝置，但是這些裝置的應用在臨牀還需要一定的時間，特別需要注意由於移動或操縱可能造成的阻礙或穿孔的風險。

2.監測生物標誌物

胃腸道中存在的許多生物標誌物，包括小分子、電解質、生理氣體蛋白質和DNA，可以潛在地用於實時評估健康和疾病狀態。

已經有研究發現，一些生物標誌物具有診斷潛力，有助於爲可吞嚥的電子設備的設計提供信息。例如，糞便中的血液可能檢測到結腸直腸腫瘤篩查的糞便標記物；而乳鐵蛋白和鈣保護素，則與潰瘍性結腸炎有關。可吞嚥的電子設備的應用，有望在早期對這些疾病進行發現和診斷。

此外，具有特定敏感傳感元件的可吞嚥電子設備還可用於識別複雜生物流體中的化合物。例如，帶有電化學傳感器的可吞嚥膠囊可以通過應用循環和微分脈衝等測量，以檢測生物液體中的各種化合物，如活性藥物成分等。

而使用半導體和導熱性傳感元件，可以實現對氫、甲烷和二氧化碳的敏感性和特異性檢測。目前腸道氣體測量系統的試點試驗已經證明瞭這些可吞嚥膠囊檢測胃內不同氣體的潛力。例如，在人類的交叉研究中觀察到個體間的交替食用低纖維和高纖維食物的發酵模式不同。新材料的應用，特別是納米孔材料，如金屬有機框架和碳納米管，也可以用於監測胃腸道內的氣體分佈，包括源自揮發性有機化合物的氣體。

最近，科學家們還開發了一種細菌-電子可吞嚥裝置，它將生物標記感應細菌和光譜測定方法結合起來，用於監測胃腸道健康。在這個裝置中，通過將發光桿菌luxCDABE操縱子整合到大腸桿菌基因組中來作爲傳感器。LuxCDABE操縱子是一種發光生物反應器，可用作基因迴路的生物發光報告器。在該裝置中，血液檢測電路用於檢測胃腸道出血，其他不同的迴路可用於檢測生物標誌物，如硫代硫酸鹽和酰基高絲氨酸內酯等。

3.組織評價

基於X射線的可吞嚥電子設備可用於胃腸道牽引的評估。例如，膠囊可用於通過發射和檢測2D X射線束來繪製胃腸道圖。爲了實現以壁爲中心的波束散射，患者必須在施用膠囊之前首先攝取造影劑。這種設備還包含一個集成的電磁跟蹤系統來測量膠囊的位置和方位，基於2D數據集可以生成胃腸道的3D圖像。目前，該裝置的臨牀安全性和概念驗證研究已經完成，更大的臨牀評估實驗正在進行中。

此外，目前的臨牀數據表明共焦激光顯微內鏡可以支持胃癌診斷、結腸息肉特徵和巴雷特食管診斷，其準確性水平與當前護理標準相當，不過還需要進一步的臨牀驗證性研究。

可吞入的超聲波探頭還可用於分析胃腸道組織學並表徵結構變化，例如癌前組織。多光譜光聲斷層攝影可用於評估疾病活動，例如克羅恩病患者症狀的嚴重程度。該方法還可用於區分健康狀態和疾病狀態，例如炎症和胃腸道疾病的緩解過程。

4.來自其他器官的信號

此外，可吞嚥的電子設備還可以用來評估胃腸道相鄰器官的健康和患病狀態。例如，在前列腺檢查中，醫生通過直腸壁可能觸摸到增大的前列腺。在心臟病檢查中，由於食道與心臟非常接近，經食道超聲探頭在臨牀上用於確定血液動力學參數。

5.靶向藥物輸送

除了用於檢測，可吞嚥設備還可以用於給藥系統。電子設備的小型化和成本降低爲電子系統口服給藥開闢了道路。例如，科學家們目前正在探索改進超聲介導藥物滲透和活性藥物成分的電子控制遞送的臨牀概念。這種具有無線遙測功能的裝置可將藥物沿胃腸道運送到優選的吸收部位。它們還爲個性化和集成的交付概念提供了工具。例如，駐留在體內的藥物輸送系統可以基於個性化治療計劃自動釋放藥物。

此外，該系統還可以用於調節系統藥物水平，其可由集成傳感器監控並由自主反饋迴路調節。除了遞送化學藥物成分之外，電子藥物領域還探索了電刺激可用於刺激體內神經網絡，爲神經疾病或運動相關胃腸道紊亂等適應症提供治療益處。由於胃腸道的複雜神經線路，可吞嚥的電子設備最終可能在輸送治療電脈衝和藥物方面發揮作用。

2013年，第一個電子控制的胃腸道藥物輸送系統——IntelliCap 完成了臨牀概念驗證。該裝置與膠囊內窺鏡的尺寸相似，包含藥物室、微處理器、pH和溫度傳感器、電池、釋放藥物的馬達、收發器和天線。IntelliCap系統通過精確調節藥物室內的螺桿驅動柱塞來控制藥物輸送。在人體研究首次證實了該裝置可以安全通過胃腸道，同時使用閃爍照相成像驗證了釋放機制。

後續研究證明IntelliCap系統可用於定製模型化合物的釋放模式，如美託洛爾和地爾硫卓。另外，採用基於氣體的、基於彈簧的或基於腐蝕的衰減的技術的設備也可以用於控制藥物釋放。此外，3D打印還可用於設計定製的藥物輸送系統，實現個性化治療模式。

展望

可吞嚥的電子設備目前主要應用於常規篩查過程中觀察和感知胃腸道的異常，未來有望作爲診斷傳感器或藥物輸送工具的可吞嚥電子設備，有助於最大限度地提高醫生自主收集數據的能力來擴大他們的醫療服務。同時，可吞嚥電子設備正從以醫院爲中心的專業應用轉向病人分散使用。

爲了可吞嚥電子設備能在多個領域進行更廣泛的應用，科學家和工程師們還需要從傳感器設計、安全性、通信、電池的續航能力、尺寸、轉向能力、成本等多個方面進行進一步的優化，同時開發出柔軟的生物可降解的材料以降低對可能帶來的胃腸道阻塞風險。

參考文獻：

Steiger, C., Abramson, A., Nadeau, P., Chandrakasan, A. P., Langer, R., & Traverso, G. (2018). Ingestible electronics for diagnostics and therapy. Nature Reviews Materials, 1.