IT之家 8 月 3 日消息，據天津大學，該校王漢杰、劉奪團隊聯合西北農林科技大學杜濤峰團隊成功構建了一種“可吞服光電子膠囊-工程菌雙向交流系統”(“菌-機接口”)，實現人類與腸道微生物的光學信號交互。
科研人員通過一種由智能手機控制的可吞服膠囊，實現和控制與豬腸道中工程化細菌的雙向通信。在豬腸炎模型實驗中，該系統展現出顯著優勢：能比傳統檢測方法提前 1 至 2 天捕捉到腸炎信號，且通過遠程調控可有效緩解炎癥。
這項技術構建了新型“菌-機接口”，豐富了生物電子接口類型，為實現“人-機-菌交互”、推動智能化疾病診療奠定了基礎。
業內專家認為，該成果為腸道微生物研究提供了全新工具，未來結合人工智能和云技術，有望實現對腸道健康的動態監測與精準調控，為腸炎等疾病的治療帶來革新。
盡管人們對于腸道的日常工作習以為常，認為腸道是一個“安分守己”的消化器官;可是，對于科學家們來說，腸道內部是一個“喧囂的世界”。在人體腸道中，生存著數以億計的微生物(細菌、真菌、病毒等)，單單從物種水平來看，研究者們就已經分離出了數千種微生物。這些微生物，有的是往來匆匆的“過客”，有的則是永久定居的“居民”。這些微生物不僅存在復雜的內部競爭、合作和共生關系，而且與宿主之間存在頻繁的營養物質“交易”，與宿主的免疫系統之間有著你追我趕的“戰爭”，甚至還會分泌影響宿主健康、行為和情緒的“私貨”，深刻而廣泛地影響著人們的生命健康。因此，對腸道微生物組成和功能的研究有著重大意義。
然而，受限于腸道復雜的物理化學環境，對腸道菌群的研究困難重重。這是由于，成年人的腸道長達 5-7 米，前有“酸化粉碎機”—— 胃把守腸道的入口，而后方蜿蜒曲折，又有褶皺、隱窩等復雜的物理結構，而且環境復雜特殊，包含各種消化液、食物成分、宿主分泌物等等。腸道中的微生物如同藏入“深海”的“魚群”，對它們的檢測和調控難度極大。
傳統的腸道微生物檢測方式是分析糞便菌群，該方法相當于在淺灘上拾取貝殼，雖然可以一定程度上獲取“深海”中的信息，但丟失了菌群在體內的空間分布、定植時間、活性等一系列信息。與此類似，傳統的調控腸道微生物的方法，例如口服益生菌和益生元、口服藥物調節菌群的組成和基因表達等，同樣在空間分布、時間等層面存在“失真”現象。因此，我們迫切地需要一種手段，可以更直接地走進腸道“深海”，在腸道內原位與微生物展開“交流與互動”。
可吞服電子膠囊：走進深海的“潛水艇”
為了走進看不見摸不著的“深海”，研究者們設計了可吞服的電子膠囊設備，它們可以無痛、無創、無接觸式地“潛入”腸道“深海”，對腸道或其中的微生物進行探索。
2000 年，膠囊內鏡拍攝的首張人體消化道圖像刊登于《Nature》雜志，開創了膠囊內鏡的臨床應用。此后的 20 多年來，研究者不斷探索與創新膠囊內鏡的臨床應用，其性能不斷提升。隨著微電子技術的不斷發展，電子膠囊的電池續航時間越來越長、抗干擾無線數據傳輸性能越來越強，并且可以像“多功能潛水艇”一樣，搭載越來越多樣化的功能模塊。在此基礎上，研究者們開始思考，如何通過電子膠囊“潛水艇”作為工具，實現與腸道微生物的“交流與互動”。為此，研究者們相繼開發出了“捕撈艇模式”、“觀測艇模式”和“指揮艇模式”，以適應不同應用場景和不同目的。
(1)原位采樣的電子膠囊 —— 分析腸道原位菌群的“捕撈艇模式”。隨著腸道菌群研究的不斷深入，研究者們逐漸意識到，消化道菌群存在顯著的區域多樣性，也就是說，不同種群的微生物在腸道中偏好不同的“棲息地”。因此，有研究者設計了用于菌群采樣的電子膠囊。這類電子膠囊攜帶著人為控制的“機械臂”，或 pH 敏感(用于感知膠囊運動到了哪種腸段)的填充材料，可以在特定腸道部位“捕撈”菌群，在保證采集到的菌群成分和活性穩定的情況下，將其“鮮活地運輸”給人類進行分析檢測。該方法采集到的微生物保留了微生物在體內時的狀態，并且可以加強采集時間和位置的精準度。
(2)攜帶工程菌的電子膠囊 —— 穩定發揮作用的“觀測艇模式”。微生物往往可以感知腸道環境，做出適應性的變化。借助這一特點，有研究者將微生物進行基因工程改造，將其改造為感知腸道疾病的工程菌。“觀測艇模式”的電子膠囊將感知疾病標志物的工程菌“觀測員”封裝到膠囊內部，讓膠囊攜帶著工程菌通過腸道，在該過程中，工程菌原位“觀測”腸道疾病信號，并將信號實時地通過電子膠囊無線傳輸給外部的人類。由于微生物封裝在了膠囊內，可以穩定地發揮作用并近距離地傳輸信號給電子膠囊。該策略可以精準地報告胃腸道中的出血或炎癥。
(3)與微生物雙向交流的電子膠囊 —— 監測和控制工程菌的“指揮艇模式”。隨著合成生物技術的發展，基因工程改造的微生物已經不僅可以作為感知腸道環境、診斷疾病的“哨兵”，也可以作為改造腸道環境、干預疾病的“工兵”。與上一種模式不同，為了讓微生物“哨兵”和“工兵”充分發揮功能，需要讓這些微生物口服后充分且足量地分散在腸道內。此時，為了保持對微生物“哨兵”與“工兵”不同分工功能的密切掌控，需要電子膠囊作為“指揮艇”，在腸道內與微生物進行原位、即時的雙向交流與互動。
2025 年 7 月 28 日，發表在《Nature Microbiology》上的研究，初步建立了上述“指揮艇模式”的概念模型，構建了一種“光電子膠囊-微生物雙向交流語言”，實現了對腸道微生物原位監測與即時控制。
跨物種交流：人類通過什么“語言”與微生物對話?
電子膠囊作為“指揮艇”進入腸道內部，深入接觸工程微生物，接收它們的信息，并對它們發送指令，從而實現人類與微生物間穩定、有效的雙向交流。想要完成這一迷人的目標，選擇合適的“語言”是前提。
盡管微生物種群之間存在天然的交流機制，例如通過分泌的化學分子作為“語言”相互交流，但由于腸道內部化學環境的復雜性，改造天然的微生物“語言系統”，極易導致交流受到腸道中固有化學分子的“噪聲”干擾。為此，研究人員大膽地假設，人體腸道中不存在的光信號，可以作為人類與特定的工程微生物種群之間特異性交流的“加密語言”;而電子膠囊可以在其中充當“同聲傳譯”的角色，完成細菌的光學語言和人類語言之間的轉化。然而，這需要解決兩個基本問題：(1)如何接收微生物“說得出”的光學語言，并將其轉換為人類能理解的可讀信號?(2)如何發送微生物“聽得懂”的光學語言，并將其精準地發送到體內?
細菌發光：讓電子膠囊可以“讀懂”的細菌語言
螢火蟲總是能在夜晚自主地發出光亮，這是由于其體內的熒光素酶可以氧化熒光素，同時輸出光能。微生物比如發光弧菌體內同樣存在合成熒光素酶和熒光素的基因，能夠自主發出微弱的光。研究人員將這些基因克隆給一種益生菌大腸桿菌 Nissle 1917，讓這種益生菌可以在需要交流的時候發光。炎癥狀態的腸道細胞會產生異常高濃度的一氧化氮，并在腸道中很快轉化為硝酸根，因此硝酸根可以作為一種腸炎標志物。研究人員用可以“感受”硝酸根的啟動子(一種激活基因表達的元件)控制熒光素酶基因，使細菌感知環境中的硝酸根濃度，并通過發光的強弱作為“語言”，將細菌對環境的“感受”傳達給電子膠囊。
為了“讀懂”微生物發出的光，電子膠囊攜帶了光電傳感器，可以將微生物的光學語言“翻譯”成電流大小。由于微生物發光非常微弱，而腸道中又充斥著吸光的腸內容物，這都可能對細菌“發光語言”能否正確傳達信息造成影響，因此，研究人員又為電子膠囊設計了信號放大模塊。電子膠囊將最終的信號通過藍牙無線傳輸，實時發送到手機 App 上。
為了測試細菌熒光素酶“發光語言”是否能準確地傳達給膠囊，研究人員進行了從體外模擬到豬體內的一系列縝密的求證。實驗結果表明，讀取的光電流數值與細菌的發光強度之間存在穩定的正相關性。在體外模擬實驗中，將工程微生物分散在模擬腸道的膽酸鹽、消化酶、食物殘渣的環境中，它們發出的光信號仍然可以正確地反映環境中的硝酸根濃度，并將信息傳遞給膠囊。研究人員還將這一過程置入豬的腸道中進行了測試，相比于正常情況下的豬腸道，額外添加硝酸根的豬腸道環境中的微生物發光明顯更強，并可以在復雜的真是腸道環境中將光信號正確傳遞給膠囊。
點擊輸入圖片描述(最多30字)
細菌感光：讓細菌可以“聽懂”膠囊的光學指令
前文中，研究人員通過設計微生物的“光學語言”，實現了“細菌到膠囊到人類”方向的信息傳遞，讓人類能“讀懂”了細菌對疾病的感知狀態。為了進一步建立“人類到膠囊到細菌”的信號傳遞，讓人類發出的指令能正確地作用于細菌，從而完成人類與微生物之間的雙向“對話”，研究人員進一步設計了微生物能“聽懂”的光學指令。
自然界中的藍細菌等微生物可以依靠各種各樣的光感受蛋白感知環境光的變化，調控自身的生命活動。研究人員為微生物構建了一套基于綠光感受蛋白的基因調控方案，使微生物可以靈敏地接受人為施加的綠色光的“指令”，表達特定的基因。研究人員證明了光電子膠囊可通過 LED 發光，可控地激活微生物，使微生物表達分泌蛋白質。微生物被激活表達基因的強度，與光照指令的持續時間具有正相關性，微生物在 7 厘米的光照半徑范圍內均可感受光學指令。研究人員將光學指令用于控制微生物表達分泌抗 TNF 納米抗體(一種具有抗炎功能的蛋白質)，證明了微生物可以在體外、體內正確地接收光學指令，按照光學指令生產納米抗體。以上過程建立了由智能手機 App 控制的電子膠囊到工程菌的信息傳遞。
腸炎“語境”中，電子膠囊-微生物雙向對話的效果如何?
至此，研究人員建立起了電子膠囊與微生物之間雙向的“光學語言”。借助電子膠囊“傳譯”的光學語言，人們能夠讀懂微生物對腸道環境的“感受”，并且能夠給腸道中的微生物下達指令，讓微生物按照人類的需求工作。接下來，為了在真實的“語境”中測驗這一光學“語言”，研究人員構建了豬腸炎的疾病模型。
實驗證實，利用工程菌到電子膠囊的信息傳遞，研究人員能在更早的時間點利用手機接收到腸炎信號，比傳統方法(離體糞便檢測鈣衛蛋白)快 1~2 天。利用電子膠囊到工程菌的信息傳遞，研究人員能及時地利用手機控制腸炎的干預過程，在全周期結束后，與對照相比能夠更好地緩解炎癥，降低炎癥相關指標的水平。
電子膠囊-微生物雙向“對話”的未來無限可能
本研究所建立的電子膠囊與微生物之間的“語言”，是一種通用的微生物監測和調控方法。常言道“鐵打的營盤流水的兵”，在本方法的實施中，只需要使用工具化的電子膠囊作為微生物“指揮艇”，而微生物的感知和功能可以按照人們的需求靈活展開設計。
正如開頭所描述的那樣，微生物對于人體生命健康的方方面面都有著廣泛的影響。借助這些原理的存在，通過對微生物的工程化設計，我們可以原位監測微生物在腸道中的各類“感受”(比如，讓微生物響應放射物、化學小分子、核酸、病原微生物)，或控制微生物在腸道中的各類行為(比如，生產、移動、定植、裂解)。此外，電子膠囊作為一個數字化的“指揮平臺”，還可以接入 AI 輔助決策、云數據儲存與分析等等諸多新技術，以幫助人們更全面地收集腸道微生物信息、更智能地調控微生物功能。
近年來，伴隨生物電子接口領域的發展，科學家已經開發了“腦-機接口”和外骨骼支架等接口，建立起人體神經系統、運動系統與電子設備的交互。而本研究所建立起的“語言”，構成了一種新型的“菌-機接口”，豐富了生物電子接口的類型，拓展了生物電子接口的使用邊界。未來，“人-機-菌交互”技術有著無限的可能，有望以高度可控、精準、即時、動態的方式為疾病診斷與治療提供新一代智能化策略。
相關成果已于 7 月 28 日發表在《自然・微生物學》上。IT之家附論文地址： https://doi.org/10.1038/s41564-025-02057-w
（責任編輯：華康）
