TW202000133A - 一種用於原位監測胃腸健康的可吞食系統 - Google Patents

Abstract

本文揭露的是包含小型超低功率微電子元件的新穎裝置。在一些情況下，該微電子元件與生物感測器元件結合，從而能夠原位檢測生物分子。本文還揭露了使用該等新穎裝置檢測訊號分析物的方法和監測患者健康的方法。

Description

一種用於原位監測胃腸健康的可吞食系統

本文揭露了包含小型超低功率微電子元件的新穎裝置。在一些情況下，該微電子元件與能夠原位檢測生物分子的生物感測器元件結合。本文還揭露了檢測訊號分析物的方法及使用該等新穎裝置監測患者健康的方法。

雖然電子元件提供了用於收集、處理及共享資訊的通用介面，但是由於該等電子元件依賴於不穩定的生化傳感器而需要大型的高功率要求電路來進行敏感檢測，故該等電子元件在體內直接感測生物分子的能力會受到限制。

在一些方面，本揭露係關於包含克服這些限制的小型超低功率微電子元件的裝置。在一些具體實施例中，一種裝置包含一電子元件，其中該電子元件包含：至少一檢測器，設以對一相應電容充電，其中該至少一檢測器中的每一檢測器皆設以檢測來自生物感測器元件的一輸出；一比較器，設以將來自該至少一檢測器中的每一檢測器的各個電壓訊號與一參考電壓進行比較，每一電壓訊號表示由該相應電容儲存的電荷；一振盪計數器，設以在來自該至少一檢測器的一第一檢測器的電壓訊號超過該參考電壓時儲存該第一檢測器對該電容充電時所採用的一振盪器週期數；以及一發射器，設以在來自該至少一檢測器中的每一檢測器的電壓訊號超過該參考電壓時無線發送該至少一檢測器對該電容充電時所採用的相應儲存振盪器週期數。在一些具體實施例中，該至少一檢測器中的至少一檢測器為一光檢測器。在一些具體實施例中，該裝置包含用於檢測和移除背景光和溫度引起的漂移的一校準方案。

在一些具體實施例中，該裝置成形為一膠囊或球囊。在一些具體實施例中，該膠囊或球囊的一橫截面直徑小於5 cm、4.5 cm、4 cm、3.9 cm、3.8 cm、3.7 cm、3.6 cm、3.5 cm、3.4 cm、3.3 cm、3.2 cm、3.1 cm、3.0 cm、2.9 cm、2.8 cm、2.7 cm、2.6 cm、2.5 cm、2.4 cm、2.3 cm、2.2 cm、2.1 cm、2.0 cm、1.9 cm、1.8 cm、1.7 cm、1.6 cm、1.5 cm、1.4 cm、1.3 cm、1.2 cm、1.1 cm、1.0 cm、0.9 cm、0.8 cm、0.7 cm、0.6 cm、或0.5 cm。在一些具體實施例中，該裝置可被一患者吞嚥。

在一些具體實施例中，該裝置進一步包含至少一生物感測器元件，其中該至少一生物感測器元件中的每一生物感測器元件：對至少一訊號分析物的存在敏感；以及將該至少一訊號分析物的存在傳達給該電子元件，可選地其中該傳達與該至少一訊號分析物的豐度成比例。

在一些具體實施例中，該生物感測器元件藉由一半透膜與外部環境分離，該半透膜允許該至少一訊號分析物擴散。在一些具體實施例中，該半透膜為一聚醚碸膜過濾器。

在一些具體實施例中，該至少一生物感測器元件中的至少一生物感測器元件為一酶促生物感測器或一非酶促生物感測器。在一些具體實施例中，該非酶促生物感測器包含一抗體、一結合蛋白、或一核酸。在一些具體實施例中，該酶促生物感測器或非酶促生物感測器為包含至少一微生物的一細胞生物感測器。在一些具體實施例中，該至少一微生物以一休眠狀態存在於該裝置中。在一些具體實施例中，該至少一微生物與其他物質結合以幫助該至少一微生物離開該休眠狀態，以對該至少一微生物提供營養、及/或延長該至少一微生物的壽命。在一些具體實施例中，該至少一微生物中的至少一微生物包含一工程化基因迴路。在一些具體實施例中，該工程化基因迴路的該輸出為發光、螢光、離子流、或濁度。

在一些具體實施例中，該至少一訊號分析物中的至少一訊號分析物係選自由一微生物、一生物分子、或一無機分子所組成之群組。在一些具體實施例中，該至少一訊號分析物中的至少一訊號分析物為一生物分子。在一些具體實施例中，該生物分子係選自由血紅素、硫代硫酸鹽、及醯基高絲胺酸內酯所組成之群組。

在其他方面，本揭露係關於檢測至少一訊號分析物的方法。在一些具體實施例中，一種方法包含使如上所述的裝置與一樣品接觸，並將該裝置的該輸出與一對照組進行比較。在一些具體實施例中，該樣品係選自由土壤、水、空氣或食物所組成之群組。

在其他方面，本揭露係關於監測患者健康的方法。在一些具體實施例中，一種方法包含使如上所述的裝置與一患者接觸，並將該裝置的該輸出與一對照組進行比較。在一些具體實施例中，該對照組係通過分析一健康患者群體來建立。

在一些具體實施例中，該裝置與該患者的接觸係藉由口服投予或放置該裝置於食道、胃或腸中來進行。在一些具體實施例中，該裝置與該患者的接觸係藉由手術植入來進行。

在一些具體實施例中，該患者為一人類患者。在一些具體實施例中，該人類患者易患疾病、病症、病態、病況或病。在一些具體實施例中，該人類患者已被診斷患有疾病、病症、病態、病況或病。

在其他方面，本揭露係關於包含一電子元件和至少一生物感測器元件的可吞食裝置-容置於一膠囊或球囊內，其中：該電子元件包含藉由（a）一電池、（b）能量收集、或（c）無線電力傳輸供電的無線低功率電子元件，其中該低功率電子元件包含至少一檢測器；以及每一生物感測器元件（a）藉由一半透膜與外部環境分離、（b）對至少一訊號分析物的存在敏感、及（c）將該至少一訊號分析物的存在傳達給該電子元件，可選地其中該傳達與該至少一訊號分析物的豐度成比例。在一些具體實施例中，該至少一檢測器中的至少一檢測器為一光檢測器。在一些具體實施例中，該膠囊或球囊的一橫截面直徑小於10 cm、9 cm、8 cm、7 cm、6 cm、5 cm、4 cm、3 cm、2 cm、或1 cm。在一些具體實施例中，該半透膜為一聚醚碸膜過濾器。

在一些具體實施例中，該至少一生物感測器元件中的至少一生物感測器元件為一酶促生物感測器或一非酶促生物感測器。在一些具體實施例中，該非酶促生物感測器包含一抗體、一結合蛋白、或一核酸。在一些具體實施例中，該酶促生物感測器或非酶促生物感測器為包含至少一微生物的一細胞生物感測器。在一些具體實施例中，該可吞食裝置進一步包含至少一對照元件，該至少一對照元件包含一校準用參考微生物，用以移除背景光和溫度引起的漂移。在一些具體實施例中，該至少一微生物以一休眠狀態存在於該裝置中。在一些具體實施例中，該至少一微生物與其他物質結合以幫助該至少一微生物離開該休眠狀態，以對該至少一微生物提供營養、及/或延長該至少一微生物的壽命。在一些具體實施例中，該至少一微生物中的至少一微生物包含一工程化基因迴路。在一些具體實施例中，該工程化基因迴路的該輸出為發光、螢光、離子流、或濁度。

在一些具體實施例中，該至少一訊號分析物中的至少一訊號分析物係選自由一微生物、一生物分子、或一無機分子所組成之群組。在一些具體實施例中，該至少一訊號分析物中的至少一訊號分析物為一生物分子。在一些具體實施例中，該生物分子係選自由血紅素、硫代硫酸鹽、及醯基高絲胺酸內酯所組成之群組。

在其他方面，本揭露係關於使用上述可吞食裝置監測患者健康的方法。在一些具體實施例中，該方法包含對一患者口服投予該裝置及將該裝置的該輸出與一對照組進行比較。在一些具體實施例中，該對照組係通過分析一健康患者群體來建立。在一些具體實施例中，該患者為一人類患者。在一些具體實施例中，該人類患者易患疾病、病症、病態、病況或病。在一些具體實施例中，該人類患者已被診斷患有疾病、病症、病態、病況或病。

以下進一步描述本發明的該等和其他方面。

在過去的幾十年中，半導體微電子技術的進展已經為感測、運算及無線通訊提供了複雜、高度複雜的平台（Otis B. and Parviz B., Google Off. Blog, 2014; Wang H., IEEE Microw. Mag., Jul 2013; 14(5): 110–30; Norian H., et al., Lab Chip., 2014 Oct 21; 14(20): 4076–84）。這些平台已被納入監測健康和疾病的裝置中。例如，在腸胃道中，電子膠囊已被部署用於拍攝視覺影像（Iddan G., et al., Nature, 2000 May; 405(6785): 417) (15 )，在測量溫度和pH的同時輸送藥物（van der Schaar P.J., et al., Gastrointest. Endosc., 2013 Sep; 78(3): 520–28），並記錄患者依從性（Hafezi H., et al., IEEE Trans. Biomed. Eng., 2015 Jan; 62(1): 99–109）。雖然電子元件提供了用於收集、處理及共享資訊的通用介面，但是由於該等電子元件依賴於不穩定的生化傳感器而需要大型的高功率要求電路來進行敏感檢測，故該等電子元件在體內直接感測生物分子的能力會受到限制。

藉由將細菌細胞的環境恢復力和自然感應特性與微電子元件提供的複雜數據處理和無線傳輸相結合，開發了一種能夠在惡劣、難以進入的環境中進行體內生物感測的裝置。使用腸胃道出血作為概念驗證模型系統，以體外和大型動物模型說明基因迴路設計和最佳化的策略、可吞食的低功率無線發光計的製造、以及整合系統功能的驗證。

隨著全細胞生物感測器領域的成熟，新開發的臨床相關生物標記感測器可被快速整合到微生物電子元件（MicroBioElectronic Device，MBED）中，以在腸胃道中進行微創檢測。藉由創造更大的光檢測器陣列，可以通過單一裝置同時進行一組生化測試。通過候選生物分子測試組，MBED能夠研究傳統上難以進入的解剖區域中的生化活性，結果發現與健康或疾病相關的新型臨床生物標記。在單個積體電路中進一步整合諸如光檢測器、微處理器和發射器的電子模組可允許MBED進一步小型化以及更低的功耗。額外的測量通道還可以實現更精確的生化讀值，因為可以對同一裝置內的重複生物感測器響應進行平均，以減小生物感測器的內在變化以及複雜胃腸環境的異質性。這種生物工程和半導體電子元件的整合提供了改變健康和疾病的診斷、管理和監測的機會。

本文揭露了包含可克服這些限制的小型超低功率微電子元件的新穎裝置。例如，在單個積體電路中整合諸如光檢測器、微處理器和發射器的電子模組可以允許MBED進一步小型化以及更低的功耗。

圖2A圖示具有細胞生物感測器、用於小型化無線感測的MBED之剖視電氣系統圖以及正面和背面照片。該裝置包括多個檢測器，例如光檢測器，包括NPN光檢測器電晶體。每個檢測器皆可與測量通道關聯，並且全部或一部分的檢測器可以檢測表示工程化基因迴路的輸出的訊號。例如，基因迴路可以被設置為響應分析物的存在而輸出發光。在一些具體實施例中，控制檢測器可以檢測背景發光及/或其他共模訊號源。

檢測器連接到超低功率（ULP）發光晶片，該ULP發光晶片可設以判斷檢測器何時指示分析物存在。例如，ULP發光晶片可以響應來自工程化基因迴路的發光而量測由光檢測器產生的電壓及/或電流訊號。ULP發光晶片可包括任何適當的電路，用於與檢測器連接並接收指示分析物存在的訊號。例如，檢測器可用以對電容充電，並且ULP發光晶片可以量測電容兩端的電壓。在一些具體實施例中，可以基於相應檢測器對電容充電所需的時間量來決定工程化基因迴路的輸出量，該時間量與檢測器響應工程化基因迴路的輸出（例如發光）所產生的電流訊號有關。

ULP發光晶片與微控制器和無線電晶片連接，微控制器和無線電晶片可用於將檢測器輸出的指示無線傳輸到接收器。無線傳輸允許基本上可以連續並即時進行的監測。例如，數據可以定期發送或響應來自檢測器的訊號發送。在一些具體實施例中，如圖2A所示，電子元件可以利用包括電池和電容的電源，該電源可以以無線傳輸所需的相對高速率提供電力。在一些具體實施例中，由於傳輸數據所需的電力遠大於檢測分析物所需的電力，因此可以將發射器設置為僅在經過一定時間之後才進行傳輸。在進一步的具體實施例中，發射器可以只在來自全部或部分檢測器的訊號超過參考訊號時才發送數據。例如，ULP發光晶片可以計數將與每個檢測器關聯的電容充電到超過參考電壓所需的振盪器週期數，而且無線電晶片可以只在臨界數量的電容被充電到超過參考電壓時才發送計數的週期數。此舉允許裝置節省電力而不會對監測有不利的影響。

圖18圖示依據說明性具體實施例的MBED（例如圖2A的MBED）的電子元件的方塊圖。應當理解的是，所圖示的元件佈局是以說明的方式提供，而且在不偏離本申請的範圍之下可以採用其他充分小型化的迴路。

該電子元件包括至少一個光檢測器，該光檢測器設以對電容充電。在一些具體實施例中，該電容在該光檢測器的內部。該光檢測器可以與MBED的至少一個生物感測器元件相關聯。可以使用一個或更多個光檢測器作為對照組來檢測隨後可能被抑制的共模訊號。光檢測器可以將表示電容儲存的電荷的相應電壓訊號提供給比較器，該比較器可設以將相應的電壓訊號與參考電壓進行比較。當來自其中一個光檢測器的電壓訊號超過該參考電壓時，振盪計數器可以儲存在該光檢測器對電容充電所需的時間內發生的振盪器週期數。當來自全部或部分光檢測器的電壓訊號超過該參考電壓時，無線發射器可以以超過臨界值的電壓無線發送為每個光檢測器儲存的振盪器週期數。

在一些具體實施例中，該裝置包含用於檢測和去除背景光和溫度引起的漂移的校準方案（參見例如材料和方法段落）。

可以使該裝置的電子元件足夠小，以在空間受限的環境中進行檢測。該裝置的低功耗（在一些具體實施例中是在10 uW或更小的量級）使得能夠使用毫米級電池來進行延伸量測。例如，在一些具體實施例中，該裝置包含電池，其中該電池的最長橫截面量測值小於10 mm、9 mm、8 mm、7 mm、6 mm、5 mm、4 mm、3 mm、2 mm、或1 mm。除了電池之外或是取代電池，可以在該裝置中使用所屬技術領域中具有通常知識之人士習知的其他電源，例如能量收集元件或無線電力傳輸元件。

半導體整合和封裝允許該裝置的所有元件被以緊湊的排列放置。例如，在一些具體實施例中，該裝置被包封在膠囊或球囊內，該膠囊或球囊的橫截面直徑小於100 cm、50 cm、25 cm、20 cm、15 cm、10 cm、9 cm、8 cm、7 cm、6 cm、5 cm、4 cm、3 cm、2 cm、1 cm、0.9 cm、0.8 cm、0.7 cm、0.6 cm、0.5 cm、0.4 cm、0.3 cm、0.2 cm或0.1cm。在一些具體實施例中，該裝置是可吞食的（或「適於吞食的」）或可植入的。

本文描述的裝置能夠檢測範圍廣泛的分析物或分析物的組合。在一些具體實施例中，分析物係選自由微生物、生物分子或無機分子所組成之群組。本文中使用的「生物分子」乙詞係指由生物體產生的分子。在一些具體實施例中，生物分子為大分子。大分子的實例包括但不限於蛋白質（即多肽）、碳水化合物、脂質、核酸（即多核酸）、及上述之組合。在一些具體實施例中，生物分子為小分子，例如代謝物、次級代謝物、或天然產物。小分子生物分子的實例係所屬技術領域中具有通常知識之人士習知的。在一些具體實施例中，生物分子係選自由血紅素、硫代硫酸鹽及醯基高絲胺酸內酯所組成之群組。本文中使用的「無機分子」乙詞係指非生物分子的任何分子（包括元素）。在一些具體實施例中，無機分子為氣體、重金屬（例如Hg、Cd、Ni、Co、Zn、Cu、Pb、Au）、PCB或殺蟲劑。

在一些具體實施例中，該裝置有助於檢測多種分析物。例如，藉由創建大的光檢測器陣列，可以通過單一裝置同時進行一組生化測試。

本文還描述了將生物感測器與上述超低功率電子元件組合以實現分析物的原位檢測的MBED（圖4）。因此，在一些具體實施例中，裝置包含如上所述的電子元件和生物感測器元件。生物感測器的各種實例是所屬技術領域中具有通常知識之人士習知的（Lim H.G., et al., Curr. Opin. Biotechnol. 2018 Feb 3; 54: 18-25; Ragavan K.V., et al., Biosens. Bioelectron. 2018 May 15; 105: 188-210; Ali J., et al., J. Biosens. Biolectron., 2017; 8(1): doi: 10.4172/2155-6210.1000235, Justino C.I.L., et al., Sensors (Basel), 2017 Dec 15; 17(12): pii: E2918; Huang Y., et al., Sensors (Basel), 2017 Oct 17; 17(10): pii: E2375），上述文獻之內容被併入本文中。

在一些具體實施例中，生物感測器元件對至少一訊號分析物的存在敏感，並將至少一訊號分析物的存在傳達給該電子元件。本文中使用的「對存在敏感」是指生物感測器檢測高於臨界量的分析物的存在的能力。因此，生物感測器的靈敏度會有所不同。決定特定生物感測器的靈敏度的方法是所屬技術領域中具有通常知識之人士習知的（參見例如實施例1）。

本文中使用的「傳達…的存在」乙詞是指產生可以由裝置的電子元件感測的輸出。在一些具體實施例中，工程化基因迴路的輸出是發光（例如化學發光、摩擦發光、光致發光、螢光、磷光）、離子流（例如由通道打開或氧化還原反應產生）或濁度（例如阻止光線通過的細胞生長）。例如，生物感測器對目標分析物的感測可以產生光，該光可以被嵌入電子元件的光檢測器檢測到。然後可以藉由併入迴路中的整合生物發光檢測來處理這些電訊號（Nadeau P., et al., IEEE, 2017 Mar 6; doi10.1109/ISSCC.2017.7870406），並將該等電訊號從該裝置無線傳輸到外部無線電或行動電話方便讀取。

在一些具體實施例中，該傳達與該至少一訊號分析物的豐度成比例（即訊號的強度會隨著分析物的豐度增加而提高）。

在一些具體實施例中，生物感測器位於讀取電子元件附近，藉由允許分析物擴散的半透膜與外部環境隔開。本文中使用的「允許擴散」乙詞與半透膜的孔徑有關。假使阻障允許分析物擴散，則膜的孔半徑大於分析物的半徑（例如斯托克斯（Stokes）半徑）。在一些具體實施例中，半透膜為聚醚碸（PES）膜過濾器。

在一些具體實施例中，該至少一生物感測器中的至少一生物感測器為酶促生物感測器或非酶促生物感測器。本文中使用的酶促生物感測器包含酶，該酶可識別目標分析物以產生可被該裝置的該電子元件感測到的輸出。該輸出可以是通過以下方式產生的訊號：1）將該分析物酶促轉化成為新產物；2）分析物介導的酶抑制或酶活化；或3）分析物介導的酶性質修飾。本文中使用的用語「酶」是指充當催化劑以引發特定生化反應的生物分子。

相反地，該非酶促生物感測器不需要酶與目標分析物之間的相互作用。例如，在一些具體實施例中，該非酶促生物感測器包含在分析物存在下促進訊號流動（或輸出）的蛋白質通道。在一些具體實施例中，該非酶促生物感測器包含識別分析物存在的抗體或結合蛋白。在一些具體實施例中，該非酶促生物感測器包含與分析物雜交或以其他方式結合（例如，作為適體）的核酸。在一些具體實施例中，該非酶促生物感測器包含在結合分析物時改變基因表現的轉錄因子。

在一些具體實施例中，該酶促生物感測器或該非酶促生物感測器是包含至少一微生物的細胞生物感測器。本文中使用的「微生物」乙詞是指微小的活體生物，包括古菌、細菌、真菌、原生生物、微生物合併體或共生體、渦蟲（例如秀麗隱桿線蟲）、以及哺乳動物細胞、植物細胞或昆蟲細胞的懸浮液。在一些具體實施例中，該細胞生物感測器是大腸桿菌細菌。在一些具體實施例中，該至少一微生物以休眠狀態存在於該裝置中。例如，在一些具體實施例中，在裝置製造之前或期間將該至少一微生物冷凍乾燥或凍乾。以休眠狀態存在於該裝置中的微生物可以在裝置使用之前（例如通過水合作用）或由於裝置使用的結果而離開該休眠狀態。在一些具體實施例中，將該至少一微生物與其他物質組合以幫助該至少一微生物離開該休眠狀態（例如，潤濕劑）、以對該至少一微生物提供營養、及/或延長該至少一微生物在該至少一微生物的次優環境中的壽命（例如，低pH或高pH）。

生活在人體和體內的微生物不斷詢問其生化環境並改變基因表現以適應不斷變化的環境。全細胞生物感測器利用這種感測能力來檢測感興趣的分析物。在一些具體實施例中，該細胞生物感測器在藉由半透膜與外部環境分隔的各個孔中與讀取電子元件相鄰，該半透膜將細胞限制在裝置中並允許分析物擴散。

合成生物學使得具有越來越複雜的基因迴路的活細胞的穩健工程化能夠感知多種生物學輸入並控制基因表現（Brophy J.A. and Voigt C.A., Nat. Methods., 2014 May; 11(5): 508–20）。在一些具體實施例中，該細胞生物感測器包含工程化基因迴路。實施例1、實施例2和實施例5中提供了工程化基因迴路的實例。用於檢測感興趣分析物的工程化基因迴路的其他非限制性實例包括：US 2017/0058282（描述用於體內檢測出血的基因工程感測器）、US 2017/0360850（描述用於體內檢測過氧化氫、一氧化氮、炎性細胞因子如IL-6、IL-18或TNF-α的基因工程感測器）、US 2017/0335411（描述用於體內檢測訊號（包括化學訊號）的基因工程感測器、以及US 2017/0255857（描述基因工程類比-數位生物轉換器開關及其在生物系統中的用途，包括作為感測器）。

在一些方面，本揭露係關於檢測至少一訊號分析物的方法。在一些具體實施例中，該方法包含使如上所述的裝置與一樣品接觸並將該裝置的輸出與一對照組進行比較，其中該對照組含有已知量的該至少一訊號分析物。如本文所述，「缺乏可檢測的量」乙詞係關於可由裝置檢測到的、高於背景量的分析物臨界量。因此，「缺乏可檢測的量」乙詞與特定裝置的靈敏度有關。決定特定裝置之靈敏度的方法是所屬技術領域中具有通常知識之人士習知的（參見例如材料和方法段落和實施例5）。

全細胞生物感測器之前已被用於檢測與環境污染相關的分析物（Roggo C., and van der Meer J.R., Curr. Opin. Biotechnol. 2017 Jun; 45: 24–33）。在一些具體實施例中，該樣品係選自由土壤、水、空氣或食物所組成之群組。

生物工程和半導體電子元件的整合為改變健康和疾病的診斷、管理及監測提供了機會。先前描述的生物感測器已被開發用於體外感測血清或尿液中的臨床相關生物標記（Courbet A., et al., Sci. Transl. Med., 2015 May 27; 7(289): 289–83）以及飲食中補充的（Kotula J.W., et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2014 Apr 1; 111(13): 4838–43; Mimee M., et al., Cell Syst., 2016 Mar 23; 2(3): 214; Lim B., et al., Cell, 2017 Apr 20; 169(3): 547–58.e15）或在疾病期間產生的（Daeffler K.N., et al., Mol. Syst. Biol., 2017 Apr 3; 13(4): 923; Riglar D.T., et al., Nat. Biotechnol., 2017 Jul; 35(7): 653–58; Pickard J.M., et al., Nature, 2014 Oct 30; 514(7524): 638–41）腸道生物分子。然而，儘管承諾作為非侵入性診斷，但先前描述的生物感測器仍未被以不顯眼、即時及使用者友好的方式用於臨床相容的測試。目前可吞食生物感測器在動物模型中的研究應用是依賴糞便樣品中的細菌基因表現或DNA的繁瑣分析（Kotula J.W., et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2014 Apr 1; 111(13): 4838–43; Mimee M., et al., Cell Syst., 2016 Mar 23; 2(3): 214; Lim B., et al., Cell, 2017 Apr 20; 169(3): 547–58.e15; Daeffler K.N., et al., Mol. Syst. Biol., 2017 Apr 3; 13(4): 923; Riglar D.T., et al., Nat. Biotechnol., 2017 Jul; 35(7): 653–58; Pickard J.M., et al., Nature, 2014 Oct 30; 514(7524): 638–41），而不是來自體內的即時報告。此外，生物分子監測常常受到進入遠端複雜環境的阻礙。本文描述的微生物電子元件（MBED）克服了現有技術的限制，並且能夠在惡劣、難以進入的環境中進行體內生物感測。

在一些方面，本揭露係關於監測患者健康的方法。在一些具體實施例中，該方法包含使如上所述的裝置與一患者接觸並將該裝置的輸出與一對照組進行比較，其中該對照組係可選地通過分析健康患者群體所建立的參考值。

在一些具體實施例中，該患者為家畜或野生動物。在一些具體實施例中，該患者為人類患者。

在一些具體實施例中，該接觸係藉由對該患者口服投予該裝置或其他遞送方法進行，使得該裝置被放置到食道、胃或腸中。在一些具體實施例中，通過患者吃進或吞嚥該裝置而實現放置。在其他具體實施例中，該裝置與患者的接觸係藉由植入來進行，例如藉由手術植入。在一些具體實施例中，該接觸係藉由附著於患者表面（例如皮膚）來進行。

在一些具體實施例中，在臨床前或臨床試驗中監測該患者。

在一些具體實施例中，該患者為一人類患者。在一些具體實施例中，該人類患者易患疾病、病症、病態、病況或病。在一些具體實施例中，該人類患者已被診斷患有疾病、病症、病態、病況或病。 實施例 材料和方法

細菌菌株和培養條件： 在大腸桿菌DH5α中進行例行選殖和質體增殖。基因迴路最初在大腸桿菌MG1655中原型化，並轉移到益生菌大腸桿菌Nissle 1917中用於膠囊和體內實驗。在37℃下在Luria-Bertani（LB）培養基（Difco）中以例行方式培養細胞。在適當的情況下，對生長培養基補充以下濃度的抗生素：30μg/ mL康黴素（kanamycin）、100μg/ mL卡本西林（carbenicillin）、25μg/mL氯黴素（chloramphenicol），以及100μg/ mL觀黴素（spectinomycin）。

基因部分和質體構築： 本研究使用的基因部分和質體列於表1和表2，並且在出版時可向Addgene購得。藉由使用Gibson Assembly（Gibson D.G., et al., Nat Meth., 2009 May; 6(5): 343–45）組合由Kapa Hifi Polymerase產生的PCR片段來構築所有的質體。將組裝產物轉形成化學勝任大腸桿菌DH5α（Chung C.J., et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 1989 Apr; 86(7): 2172–75），並使用Sanger定序確認序列。使用Salis lab RBS計算器以計算方式設計強度可變的核醣體結合位點（RBS）（Espah Borujeni A., et al., Nucleic Acids Res., 2014 Feb; 42(4): 2646–59; Salis H.M., et al., Nat. Biotechnol., 2009 Oct; 27(10): 946–50）。

表1：基因部分

表2：質體

生長和誘導： 對於基因迴路表徵，將整夜培養物在新鮮LB中以1：100稀釋，並在37℃下振盪培養2小時。從培養箱中取出培養物，將200μL培養物轉移到含有各種濃度的誘導物的96孔盤中。將盤放回37℃的振盪培養箱中。培養2小時後，使用BioTek Synergy H1 Hybrid Reader以1s的積分時間和135的靈敏度讀取發光。藉由在600 nm下測得的培養物光密度標準化以相對發光單位（RLU）測得的發光值。對於體外動力學的研究，將繼代培養的細胞與誘導物在96孔盤中混合，並立即置於37℃的讀盤套組中，不振盪。每隔5分鐘讀取發光和吸光度。

將氯化血紅素粉末溶於1M NaOH（Sigma）中直到濃度為25mM、用雙蒸水稀釋到500μM的最終濃度、及用0.2μm聚醚碸（PES）過濾器滅菌來製備氯化血紅素（Sigma）的儲備溶液。使用去纖維化的馬血（Hemostat）作為大多數實驗的血液來源。先在模擬胃液（SGF）（0.2％NaCl，0.32％胃蛋白酶，84mM HCl，pH 1.2）中以1:10稀釋、然後在培養基中進一步稀釋來裂解血液。在雙蒸水中製備硫代硫酸鈉（Sigma）和3-O-C₆ -HSL（稱為醯基高絲胺酸內酯（AHL））（Cayman Chemical）的儲備溶液。

吲哚美辛小鼠實驗： 所有小鼠實驗均經麻省理工學院動物保護委員會批准。無特定病原體（SPF）的雄性C57BL/6J小鼠（8-10週齡）購自Jackson實驗室，並在常規條件下飼養和處理。在實驗開始前1週使小鼠適應動物設施。將動物隨機分配到實驗組。研究人員沒有對小組作業不了解。在吲哚美辛實驗之前進行試驗性實驗以測定細菌通過小鼠腸胃道的通過率（圖S5）。將大腸桿菌Nissle的整夜培養物以5000×g離心5分鐘，並再度懸浮於等體積的20％蔗糖中。通過口服強飼給動物接種200μL細菌培養物（約2×10⁸ CFU）。在強飼後2、4、6、8及24小時收集糞便顆粒、稱重、並使用TissueLyser II（Qiagen）在25Hz下在含有5mm不銹鋼珠的1mL PBS中勻漿化2分鐘。將樣品以500×g離心30秒，以將大的糞便碎片製成粒狀。將上清液在無菌PBS中連續稀釋，並在補充有康黴素的馬康基氏（MacConkey）瓊脂上點塗。在37℃下整夜培養後計數菌落。對於發光試驗，在多功能微量盤檢測儀（Biotek Synergy H1 Hybrid Reader）中量測糞便勻漿的發光，積分時間為1秒，靈敏度為150。將發光值標準化為糞便重量標準化的CFU值並以RLU/CFU報告。

對於吲哚美辛實驗，將動物用血液感測器細菌接種，6小時後收集糞便顆粒用於發光分析和CFU計數。將化合物溶於無水乙醇至20mg/mL的濃度來製備吲哚美辛（Sigma）溶液。在將要強飼小鼠之前，將吲哚美辛儲備溶液在PBS中稀釋至1.25mg/mL，並對每隻動物投予0.2mL的稀釋吲哚美辛溶液（10mg/kg）。使用該方法製備吲哚美辛溶液對於確保可靠且可重複的腸胃道出血誘導是必要的。第二天早晨，對來自每隻動物的糞便顆粒進行癒創木脂試驗（Hemoccult，Beckman Coulter）來確認腸胃道出血。被投予吲哚美辛的所有小鼠均為癒創木脂素陽性，而被投予PBS對照的那些小鼠均為癒創木脂陰性。隨後，再次給予小鼠血液感測器細菌，並在6小時後收集糞便顆粒用於發光分析和CFU計數。

膠囊的製備： 膠囊中的電子元件由四個光電晶體檢測器（SFH3710，Osram Opto Semiconductors GmbH）、採用台積電65 nm製程製造的客製生物發光檢測器晶片（Nadeau P., et al., IEEE, 2017 Mar 6; doi10.1109/ISSCC.2017.7870406）、微控制器和無線電晶片（PIC12LF1840T39A，Microchip Technology公司）、22 MHz晶體諧振器（7M-22.000MEEQ-T，TXC公司）、915 MHz晶片天線（0915AT43A0026，Johanson科技公司）、兩個220μF陶瓷電容（CL32A227MQVNNNE，美國三星機電公司）、以及5mAh鋰錳鈕扣電池（MS621FE-FL11E，台精精密股份有限公司）組成。將電子元件焊接到客製的四層印刷電路板（Advanced Circuits公司）上，並將兩個螺釘環氧化到安裝孔中，以便稍後連接塑料電池載體。將組件塗覆4-15μm的聚對二甲苯C以充當防潮層（以下所述描述聚對二甲苯C沉積的其他方法）。在四個光電晶體檢測器上方將透明矩形聚碳酸酯窗（500μm厚度，Rowland科技公司）環氧化以提供平坦的光學界面。為了機械穩定性，將板塗覆1-3mm的環氧樹脂（20845，Devcon），然後澆鑄成直徑13mm的PDMS膠囊（Sylgard 184，道康寧）。

聚對二甲苯 C 沉積： 二氯-二對二甲苯（商品名：diX C）二聚體購自Daisan Kasei公司（現為KISCO合作夥伴公司）。使用內部熱解CVD塗佈工具將薄膜聚對二甲苯C塗層預成型。裝入膠囊後，將10克二聚體裝入熱蒸發加熱器中，並將系統抽真空至1.3微巴。在沉積之前預熱熱解爐和全部的其他真空元件。在沉積期間，二聚體在105℃至120℃之間蒸發，以保持約3埃/秒的恆定沉積速率。在達到所需厚度後，將沉積室分離、系統冷卻、沉積室排空、並取出膠囊。

細胞載體的製備： 將細胞載體機械加工或射出成型為ABS塑料（Protolabs公司）。經由在230℃下用不銹鋼模具熱封35-45秒來將半透膜（0.22μm孔徑，EIMF22205，Millipore Sigma）固定於電池載體的一側。從380μm矽橡膠（86435K13，McMaster-Carr）模切用於流體密封的橡膠墊圈並環氧化到電池載體的相對側，以在實驗期間在載體與光學窗之間提供密封。

系統操作、封包發送和接收： 使用每個元件的固有電容作為電荷儲存機制（量測電容，Co = 8.7nF）以電荷積分模式操作NPN光電晶體檢測器，其可以是圖2A的檢測器實例。將每個檢測器的集電極連接到系統的供電軌，將發射極通過客製積體電路中的獨立低漏電開關（每個檢測器一個）連接到系統接地，此可為圖2A所示的ULP發光晶片的實例。在測量開始時，發射極通過開關短接到系統接地，並且元件電容被充電到系統電壓。然後，打開開關，並且發射極電壓會響應於每個檢測器中的暗電流和光電流而獨立地開始增加。

客製積體電路包含低功率電壓基準（V_R = 0.625 V）和近端振盪器計數器（振盪器週期，T_OSC = 5 ms）。在每個振盪器週期中，將每個通道的檢測器電壓與參考電壓進行比較，如果超過參考電壓，則保存計數值，該計數值對應於為通道充電所需的振盪器週期數。板載微處理器每8秒輪詢客製電路一次，以確定是否全部四個通道都超過參考電壓。一旦全部超過，則微處理器通過串聯周邊介面讀取四個計數器值，並使用板載發射器以+ 10dBm發送具有計數數據的短無線封包，其可以是圖2A的無線電晶片的實例。數據由連接到膝上型電腦的900MHz無線電（CC1120評估套件，德州儀器公司）無線接收，並在Matlab（The Mathworks公司）上離線處理。

使用溫度和偏移校準的光電流評估： 使用量測量和溫度漂移與偏移校準演算法估算系統檢測到的光電流，描述如下：

設三個可發光的感測器通道，其計數次數以

表示。使用由內部振盪器（週期，

）計數的週期數(

)量化由發光細胞(

激發的光電流和光檢測器固有的暗背景電流(

對通道(

)的通道電容(

充電到臨界電壓(

所需的時間。然後使用量測的週期來估計光電流量。對感測器通道充電所需的週期數由下式給出：

。

設一個參考通道不含發光細胞

，其計數次數以

表示。對該參考通道充電所需的週期數由下式給出：

。

通道

上所需的光電流訊號被通道的暗電流破壞，此可藉由將溫度無關、通道特定的暗電流偏移

與溫度相關的縮放函數

]分開而模型化為：

。

為了校準溫度和偏移，首先藉由計算相對訊號

而將來自每個感測器通道的計數次數與參考通道進行比較：

。

在

的第一項中，溫度相依性被消除，僅留下對通道之間的相對偏移的相依性。此項可被表示為

。在誘導來自全細胞生物感測器的發光之前(

，計數數據的早期區段可用於每個實驗，以估計每個通道的

。對於所有實驗，使用0.2至0.3小時（12至18分鐘）的樣品來估計

。代入量測的偏移(

以及

的表達式，以根據已知和量測的量來獲得估計的光電流的最終表達式。

。

使用Matlab軟體（R2017a，The Mathworks公司）進行該校準程序。

光學校準： 首先使用距離30 cm的光學功率計（PM100D和S130C，Thor Labs公司）在4 個對數尺度的輸入電流上校準綠色LED（λ= 525nm，WP7083ZGD/G，Kingbright）。然後將三個膠囊放在與功率計相同距離處，並在相同的LED電流條件下測量。藉由光電晶體檢測器的面積（0.29 mm² ）與S130C感測器的面積（70.9 mm² ）的比率來縮放光功率讀數，以估計入射在檢測器上的光功率。

用於結果的即時接收和可視化的行動電話「應用程式」： 將900 MHz USB伺服器鑰（CC1111 USB評估模組套件，德州儀器公司）連接到運行在Android Studio（谷歌公司）創建的自定義應用程式的Android手機（Galaxy SIII，SCH-I535，三星電子股份有限公司）。在接收到前18分鐘的數據後，在手機上進行溫度和偏移校準，以啟用偏移校準，並對使用者顯示光電流估計值。同時將原始數據上傳到雲端服務以供後續分析。

體外 MBED 實驗： 在實驗開始之前將有或沒有補充誘導物（500ppm裂解血液（除非另有說明）、10mM硫代硫酸鹽、或100nM AHL）的LB培養基預熱至少2小時。對於血液感測器實驗，將整夜培養物以1:10稀釋於2xYTPG（20g胰蛋白腖、5g NaCl、10g酵母萃取物、22mL 1M磷酸二氫鉀、40mL 1M磷酸氫二鉀、0.2％葡萄糖，pH 7.2）中，並將15μL的稀釋培養物加入細胞載體的孔中（每孔約10⁶ 個細胞）。對於所有實驗，在參考通道中添加野生型大腸桿菌Nissle 1917。將血液感測器細菌一式三份加入單個裝置中的三個孔中，並將來自這三個通道的值平均以獲得圖2C-2E繪示的單一複製。將技術複製描繪於圖11A-11C。對於硫代硫酸鹽和AHL實驗，將含有細胞的ThsRS或LuxR整夜培養物在LB中繼代培養2小時，然後加入細胞載體中。一旦全部四個通道都被加載，則將細胞載體固定於膠囊並完全浸沒在預熱的培養基中。將培養物用厚的黑色織物包裹數次以阻擋外部光線、放在37℃的培養箱中、並無線收集數據2小時。在實驗結束時，拆解裝置並丟棄細胞載體。將膠囊用70％乙醇滅菌，並用蒸餾水徹底洗滌。將膠囊空氣乾燥並再次使用於未來的實驗。

豬實驗： 所有的豬實驗均由麻省理工學院動物照護委員會批准。從Tufts大學取得雌性約克夏豬（50-95kg）並在常規條件下飼養。隨機選擇動物進行實驗。在實驗前將動物安排透明液體飲食24小時，在實驗當天保持早晨飼料。在實驗時，將豬用Telazol^® （tiletamine/zolazepam 5 mg/kg）、xylazine（2 mg/kg）及阿托品（atropine，0.04 mg/kg）鎮靜。在食道插管期間，在內視鏡（Pentax）視覺引導下將內視鏡外套管（美國內視鏡檢查術）置於食道中。在放置裝置之前，通過內視鏡將250mL含或不含0.25mL豬血的中和溶液（1％碳酸氫鈉和0.2％葡萄糖）直接投入胃中。將整夜細菌培養物以1:10稀釋於2xYTPG中，並將15μL的稀釋培養物加入細胞載體的孔中。組裝裝置並經由內視鏡外套管放置在豬胃腔中。藉由內視鏡觀察證實充分浸沒在胃液中。持續2小時，經由連接到筆記型電腦或Android手機的900 mHz無線電獲取來自存放膠囊的數據。獲得豬胃內膠囊的內視鏡影像和X光片。使用六邊形圈套器從胃腔取出裝置。實驗共包括6隻動物；給予3隻含有血液的中和溶液，另3隻作為陰性對照組。每隻豬放置兩個裝置，使得每組都有6個樣品量。

數據分析、統計及計算方法： 使用GraphPad Prism版本7.03（Graph軟體，美國聖地牙哥，graphpad.com）分析所有數據。使用Geneious版本9.1.8（geneious.com）進行序列分析（Kearse M., et al., Bioinformatics, 2013 Jun 15; 28(12): 1647–49）。如上所述，誤差條表示在不同日期進行的至少三次獨立實驗的SEM。使用未配對的雙尾學生t試驗假設不等變異來決定組間的顯著性。將用最大誘導物濃度處理的樣品的標準化發光值（RLU/CFU）除以未誘導的樣品來決定倍數變化或訊噪比。響應曲線適配希爾（Hill）函數：Y=(B_max Xⁿ )/(Kⁿ +Xⁿ ) + C，其中X為誘導劑濃度，Y為標準化發光輸出，B_max 為最大發光值，K為臨界常數，n為希爾係數，C為基線發光值。

實施例1：血紅素生物感測器的開發

開發了用於腸胃出血的生物感測器，作為臨床相關生物標記的概念驗證MBED。消化道出血可能是由多種原因引起的，包括發炎、癌症、消化性潰瘍、非類固醇消炎藥的使用、門靜脈高壓等（Hearnshaw S.A., et al., Gut, 2011 Oct; 60(10): 1327–35）。雖然存在經濟有效的糞便潛血試驗（Rockey D.C., et al., N. Engl. J. Med., 1998 Jul 16; 339(3): 153–59），但對上消化道急性出血的快速診斷則需要內視鏡觀察或胃液抽吸（Barkun A., et al., Ann. Intern. Med., 2003 Nov 18; 139(10): 843–57）。重要的是，已發現早期診斷和適當治療患有上消化道出血的個體可減少住院時間和總體醫療費用（Lee J.G., et al., Gastrointest. Endosc., 1999 Dec; 50(6): 755–61）。血液感測MBED可以提供另外的方法來診斷上消化道出血或監測內視鏡治療後再出血的高風險患者（Cheng C.L., et al., Dig. Dis. Sci., 2010 Sep; 5(9): 2577–83），以幫助可能需要進一步內視鏡或外科手術干預的個體的分類。

由於出血事件導致從裂解的紅血球細胞中釋放的游離血紅素累積，因此檢查了文獻中對血紅素有響應的細菌轉錄因子。乳酸乳球菌編碼血紅素調節的TetR家族轉錄抑制因子HrtR，其天然地控制外排泵的表現以控制細胞內血紅素介導的毒性（Lechardeur D., et al., J. Biol. Chem., 2012 Feb 10; 287(7): 4752–58）。在沒有血紅素的情況下，HrtR與P_hrtRAB 啟動子中的同源迴文HrtO操縱子序列結合，從而抑制啟動子活性（圖1A）。血紅素結合後HrtR的構象變化消除了DNA結合並導致下游基因表現（Sawai H., et al., J. Biol. Chem., 2012 Aug 31; 287(36): 30755–68）。為了使天然P_hrtAB 啟動子適應大腸桿菌底物，基於噬菌體λ的強後期啟動子，在-35和-10盒段的上游直接以HrtO操縱子序列產生合成啟動子P_L(HrtO) （圖5A）。雖然光子通量低於真核螢光素酶，但光桿菌luxCDABE螢光素酶操縱子被用作P_L(HrtO) 的輸出，因為光桿菌luxCDABE螢光素酶操縱子在體溫下起作用並編碼細胞內基質生產所需的所有成分，因此不需要外源基質（Close D., et al., Sensors, 2012; 12(1): 732–52）。在大腸桿菌MG1655中P_L(HrtO) -luxCDABE 與組合型表現HrtR構築體的共轉化導致發光值減小4.4倍，表示HrtR介導的P_L(HrtO) 抑制（圖5B）。然而，無論血紅素濃度如何，發光值保持恆定，表示血紅素不能穿透革蘭氏陰性細胞包膜。大腸桿菌的致病菌株已經進化出血紅素清除系統，以在感染期間獲得幾乎不可獲得的鐵（Torres A.G. and Payne S.M., Mol. Microbiol., 1997 Feb; 23(4): 825–33）。據推測，將大腸桿菌O157:H7中的ChuA血紅素轉運蛋白導入基因迴路可以使細胞外血紅素轉運到周質中，隨後細胞外血紅素可以與其他細胞成分相互作用而進入細胞質，最後與HrtR複合（圖1A）（Nobles C.L., et al., J. Microbiol. Methods., 2015 Nov; 118: 7–17）。HrtR和ChuA的表現產生生物感測器（MG1655 V1），該生物感測器響應增加的血紅素輸入，具有發光輸出，訊噪比（SNR）為5.9，K_D 為1μM血紅素（圖5B）。全馬血液也誘導發光產生（圖5C），並且模擬胃液中紅血球細胞的溶解藉由釋放血紅素（K_D = 115ppm血液）大大提高了檢測靈敏度（圖1B；圖5D）。

實施例2：血紅素基因迴路的最佳化

接下來，對原型基因迴路進行迭代最佳化，目標是在不損害最大發光輸出的情況下提高SNR。將基因組分組合到單一高拷貝質體上以最小化質體負荷以及質體丟失的風險。使用計算設計的核醣體結合位點（RBS）序列增加HrtR的轉譯起始強度（Salis H.M., et al., Nat. Biotechnol., 2009 Oct; 27(10): 946–50）降低了基線發光值並將SNR提高至132 （MG1655 V2；圖1B；圖6A-6D）。啟動子序列的變化、P_L(HrtO) 中HrtO操縱子位點的數量及位置、以及ChuA RBS強度並未造成基因迴路性能有顯著改善。最終的基因迴路被轉移至益生菌大腸桿菌Nissle 1917菌株（Nissle V2），而且與實驗菌株相比，響應於裂解的馬血（SNR = 310；K_D = 95ppm）（圖1B）以及人血（圖7）時保留了類似的性能特徵。快速誘導發光，在暴露於血紅素或裂解血液的45分鐘內達到半數最大量（圖8）。

實施例3：最佳化血紅素生物感測器功能的證明

為了檢查體內細菌血液感測器的功能，使用吲哚美辛誘導的消化道出血的鼠模型。胃十二指腸潰瘍是使用非膽固醇消炎藥的常見副作用，因為減少的前列腺素產生導致胃黏膜變薄和胃內容物酸化（Lanas A. and Chan F.K.L., Lancet., 2017 Aug 5; 390(10094): 613–24）。口服吲哚美辛所引起的上消化道出血可以由穿過腸道的細菌血液感測器檢測到，並藉由觀察糞便顆粒中的發光活性來量測（圖1C）。細菌轉移至糞便在接種後6小時為最多，而且在給藥後24小時無法從小鼠糞便中回收血液感測器細菌，表示工程化菌株並未明顯殖入鼠腸（圖9）。在基線時，血液感測器細菌的施用不會導致糞便中有可檢測的發光活性，表示鼠腸中的基礎血紅素量不足以活化基因迴路（圖10A-10B）。如黑色、柏油樣糞便和陽性癒創木脂試驗所示，口服吲哚美辛可在一夜之間產生明顯的消化道出血。與對照組相比，隨後用血液感測器細菌接種的小鼠在糞便顆粒中顯現高18倍的發光值（圖1C）。生物感測器檢測事件與癒創木脂試驗完全一致，可以完美區分出吲哚美辛處理的和未經處理的動物。因此，生物感測器可以有效檢測體內消化道出血的存在。

實施例4：整合生物感測器與電子感測器和無線傳輸

然後研究了將細菌生物感測器與電子感測器和無線傳輸平台整合的方法。細胞生物發光的詢問通常是藉由功率和面積昂貴的實驗室設備來進行，這些設備並不適合體內的原位測量。先前演示的客製敏感性生物發光檢測電子元件需要外部佈線，並且僅限於台式測試（Nadeau P., et al., IEEE, 2017 Mar 6; doi10.1109/ISSCC.2017.7870406; Eltoukhy H., et al., IEEE J. Solid-State Circuits, 2006 Apr; 41(3): 651–61; 36. Singh R.R., et al., IEEE J. Solid-State Circuits, 2012 Nov; 47(11): 2822–33）。為此，開發了第一個小型化、完全整合的無線讀取膠囊，用於針對體內感測消化道中的小分子（圖2A）。該系統封裝了先前描述的納瓦級、基於時間的發光計（Nadeau P., et al., IEEE, 2017 Mar 6; doi10.1109/ISSCC.2017.7870406）與微處理器和無線發射器，並為工程化細胞提供密封用於分子感測。MBED由兩部分組成：（1）包含電子元件的模製膠囊、和（2）用於在四個腔之一中容納細胞的塑料載體。藉由位於每個腔下方的光電晶體檢測來自活化細胞的生物發光，並使用低功率發光計晶片將該生物發光轉換為數位代碼。在每個MBED中，一個通道用作校準背景光和溫度引起的暗電流變化的參考，而其餘三個用於獨立量測。提供入射光電流給板載微控制器和900 MHz無線電，以便在體外傳輸。一個小型鈕扣電池（5 mAh）為裝置供電，外推的MBED功耗（表3）顯示標稱的裝置儲放壽命超過9個月，完全充電後的有效運行時間為1.5個月。所實現的低功耗還可以允許使用從胃酸獲得的能量在消化道中進行無電池操作（Nadeau P., et al., Nat. Biomed. Eng., 2017; 1: pii:0022）（33）。此外，兩個220μF陶瓷電容提供無線電發射器所需的瞬時峰值能量。電子元件被塗在聚對二甲苯C上，為敏感的皮安級光電流量測提供必要的濕度恢復能力。隨後用剛性環氧樹脂封裝裝置以獲得機械強度，然後為了生物相容性使用模製PMDS膠囊。這種多層電子封裝的策略允許創建強大的厘米級無線膠囊，當與生物感測器細胞配對時，可以在體內進行連續的微創感測。

電子系統是高度靈敏的，並且捕獲入射在檢測器的0.29 mm² 面積上的光子通量低至5×10⁴ 光子/秒（白雜訊限制變異係數13％_rms ，圖2B和圖11A）。平均通道不匹配小於6％_rms （圖11A），並且5℃變化的平均溫度誘導漂移小於2 pA（圖11B）。此外，MBED在模擬胃液中穩定長達36小時（圖11C），從而提供足夠的時間在消化道運送期間進行可吞食的量測。為了證明可吞食的光度計膠囊和工程化生物感測器的整合，益生菌血液感測器菌株在體外MBED中進行測試。在暴露於500 ppm血液時，可以在30分鐘後觀察到誘導的生物發光（圖2C）。與盤讀數器量測相比（圖8），這種輕微的延遲可能歸因於血紅素擴散到細胞腔中的時間。血液感測器MBED的劑量-反應曲線類似於盤讀數器量測（SNR = 76；K_D = 135 ppm；比較圖2D和圖12A-12H），飽和度達到250 ppm，顯著檢測低至32.5 ppm血液（學生t試驗；p = 0.03）。MBED共同作為彈性的平台，用於靈敏檢測流體環境中的出血。

表3：膠囊系統的平均電流消耗。系統洩漏是停用膠囊的所有功能時消耗的靜態電流。商用微控制器的平均消耗來自每8秒輪詢發光晶片以確定量測是否已完成。ULP發光晶片消耗是由連續操作發光量化迴路所產生。無線消耗來自封包的傳輸。商用無線發射器佔總系統消耗（84.4％），而客製照度計僅消耗總量的一小部分（>0.2％）。從5 mAh鈕扣電池運行，預期系統可以在休眠模式下持續超過9個月，在連續有效操作期間可持續1.5個月。

實施例5：MBED適應性的證明

MBED的感測功能可以很容易適應替代的生物標記。為了說明這一點，在細菌中開發硫代硫酸鹽和醯基高絲胺酸內酯（AHL）感測器來作為生物發光報導器。硫代硫酸鹽可以作為腸炎症的生物標記，因為它在結腸炎的鼠模型中升高（Daeffler K.N., et al., Mol. Syst. Biol., 2017 Apr 3; 13(4): 923）。AHL是用於協調群體間基因表現的特定細菌的分子特徵，並且它們在腸道微生物群的背景下的檢測可以表示腸道中存在共生或感染因子（Hwang I.Y., et al., Nat. Commun., 2017 Apr 11; 8: 15028; Schuster M., et al., Annu. Rev. Microbiol., 2013; 67: 43–63; Balagaddé F.K., et al., Mol. Syst. Biol., 2008; 4: 187）。將硫代硫酸鹽和AHL誘導型基因迴路引入大腸桿菌Nissle中，並且暴露於濃度增加的誘導物導致生物發光值提高（圖13A-13D）。當與MBED整合時，在流體環境中可以容易檢測到不同分析物的生物感測（圖2E）。隨著合成生物學家持續開發臨床相關腸道生物標記的其他生物感測器，MBED平台的潛在分析物的廣度將持續增長。

實施例6：MBED功能的演示

為了研究用全細胞生物感測器對生物分子進行無線原位檢測，將血液感測器MBED佈署於消化道出血的豬模型中。在裝置放置之前，給豬餵食含有或不含0.25mL血液的碳酸氫鹽-葡萄糖中和溶液（圖3A）。隨後經由口胃管將血液感測器MBED放置到胃中（圖3B和圖3C）。光電流數據在2小時內從胃部無線傳輸到動物體外的無線接收器並記錄在膝上型電腦上。並行地，在配備有900MHz無線接收器伺服器鑰和用於即時數據處理和可視化的客製應用程式的Android手機上演示接收（圖14和圖15A-15B）。早在52分鐘就可以觀察到豬胃環境中存在血液（學生t試驗；p >0.05）並且與僅給予緩衝液的動物相比，120分鐘後光電流增加5倍（圖3D；圖16）。在缺乏ChuA血紅素轉運蛋白或螢光素酶操縱子的生物感測器中未檢測到發光產生，表示觀察到的光產生依賴於在血紅素存在下活化的功能性基因迴路（圖17）。血液感測MBED的接收器操作特性隨時間改善，在60分鐘時靈敏度和特異性為83.3％，在120分鐘時完美檢測（圖3E）。因此，MBED可以以高特異性和靈敏度檢測胃環境中的低量分析物。 參考資料 1. Balagaddé F.K., Song H., Ozaki J., Collins C.H., Barnet M., Arnold F.H., Quake S.R., and You L., A synthetic Escherichia coli predator-prey ecosystem. Mol. Syst. Biol., 2008; 4: 187. 2. Barkun A., Bardou M., and Marshall J.K., Clinical Guidelines Consensus Recommendations for Managing Patients with Nonvariceal Upper Gastrointestinal Bleeding. Ann. Intern. Med., 2003 Nov 18; 139(10): 843–57. 3. 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可以將本說明書中揭露的所有特徵以任何組合方式組合。本說明書中揭露的每個特徵皆可由提供相同、等同、或類似目的的替代特徵取代。因此，除非另有明確說明，否則所揭露的每個特徵僅是一系列等效或類似特徵的實例。

根據以上描述，所屬技術領域中具有通常知識之人士可以容易確定本揭露的基本特徵，並且在不脫離其精神和範圍的情況下，可以對本揭露進行各種變更和修改以使其適應各種用途和條件。因此，其他實施例也在權利要求內。 均等物

雖然本文已經描述和說明了若干發明實施例，但是所屬技術領域中具有通常知識之人士將可輕易想到用於執行功能及/或獲得結果的各種其他裝置及/或結構及/或本文描述的一個或多個優點，而且此等變化及/或修改中的每一者皆被認為是在本文描述的發明實施例的範圍內。更一般來說，所屬技術領域中具有通常知識之人士將可輕易理解到，本文描述的所有參數、尺寸、材料及結構皆意為例示性的，而且實際參數、尺寸、材料、及/或結構將取決於使用本發明教示的具體應用。在僅使用例行實驗之下，所屬技術領域中具有通常知識之人士將認可或能夠確定本文所述的具體發明實施例的許多均等物。因此，應當理解的是，前述實施例僅作為實例呈現，而且在所附申請專利範圍及其均等物的範圍內，本發明的實施例可被以不同於具體描述和請求保護的方式實施。本揭露的發明實施例是針對本文描述的每個個別特徵、系統、物品、材料、套件及/或方法。此外，假使此等特徵、系統、物品、材料、套件及/或方法不相互矛盾，則兩個或更多個此等特徵、系統、物品、材料、套件及/或方法的任何組合皆被包括在本揭露的發明範圍內。

本文中定義和使用的所有定義皆應被理解為優先於字典的定義、以引用方式併入的文獻中的定義、及/或所定義用語的普通含義。

關於每個描述的標的物，本文揭露的所有參考文獻、專利及專利申請均以引用方式併入，在某些情況下該引用可涵蓋該等參考文獻、專利及專利申請的整份文件。

除非有明確相反的指示，否則本說明書和申請專利範圍中使用的不定冠詞「一（a）」和「一（an）」應被理解為表示「至少一」。

本說明書和申請專利範圍中使用的詞語「及/或」應被理解為表示如此結合的要素中的「一個或兩個」，即在某些情況下結合存在而且在其他情況下分離存在的要素。用「及/或」列出的多個要素應以相同的方式解讀，亦即如此結合的要素中的「一個或多個」。除了以「及/或」子句具體標識的要素之外，可以可選地存在其他要素，無論是與具體標識的那些要素相關還是不相關。因此，作為非限制性實例，當與諸如「包含」的開放式語言結合使用時，提及「A及/或B」可以在一個實施例中僅指A（可選地包括B以外的要素）；在另一個實施例中僅指B（可選地包括A以外的要素）；在又另一個實施例中指A和B兩者（可選地包括其他要素）；等等。

如本說明書和申請專利範圍中所用，「或」應被理解為具有與如上所定義的「及/或」相同的含義。例如，當分隔列表中的項目時，「或」或「及/或」應被解釋為包含性的，即包含數個要素或要素列表、以及可選的其他未列出的項目中的至少一個，但也包括多於一個。當在申請專利範圍中使用時，只有明確相反的用語，例如「只有其中一個」或「恰好其中一個」、或「由...組成」是指包含數個要素或要素列表中的恰好一個要素。一般而言，當前置排他性用語時，該排他性用語例如「任一個」、「其中一個」、「僅其中一個」、「恰好其中一個」，本文中使用的用語「或」應僅被解釋為表示排他性替代物（即「一者或另一者但非兩者」）。當在申請專利範圍中使用時，「基本上由......組成」應具有其在專利法領域中使用的普通含義。

如本說明書和申請專利範圍中所使用的，當提及一個或多個要素的列表時，詞語「至少一個」應被理解為表示選自要素列表中的任何一個或多個要素中的至少一個要素，但不一定包括要素列表中具體列出的每個要素中的至少一個要素，並且不排除要素列表中要素的任何組合。除了在詞語「至少一個」所指的要素列表內具體標識的要素之外，該定義還允許要素可以可選地存在，無論是與具體標識的那些要素相關還是不相關。因此，作為非限制性實例，「A和B中的至少一個」（或等同的「A或B中的至少一個」、或等同的「A及/或B中的至少一個」）可以在一個實施例中指至少一個、可選地包括多於一個A，不存在B（並且可選地包括B以外的要素）；在另一個實施例中指至少一個、可選地包括多於一個B，不存在A（並且可選地包括A以外的要素）；在又另一個實施例中指至少一個、可選地包括多於一個A和至少一個、可選地包括多於一個B（並且可選地包括其他要素）；等等。

還應該理解的是，除非有明確相反的指示，否則在本文請求保護的、包括超過一個步驟或動作的任何方法中，該方法的步驟或動作的順序不一定限於該方法的步驟或動作被敘述的順序。

在申請專利範圍以及上面的說明書中，所有轉折語，例如「包含」、「包括」、「攜帶」、「具有」、「含有」、「涉及」、「持有」、「由...組成」等等應被理解為開放式的，即意指包括但不限於。只有轉折語「由......組成」和「基本上由......組成」應分別為封閉或半封閉的轉折語，如美國專利局專利審查程序手冊第2111.03節所述。應當理解的是，本文件所述使用開放式轉折語（例如「包含」）的實施例在備選實施例中也被視為「由開放式轉折語描述的特徵組成」和「基本上由開放式轉折語描述的特徵組成」。例如，假使本揭露描述「包含A和B的組合物」，則本揭露也涵蓋了備選實施例「由A和B組成的組合物」和「基本上由A和B組成的組合物」。

無

以下圖式構成本說明書的一部分，並且被包括在內以進一步說明本揭露的某些方面，藉由參考這些圖式中的一個或多個圖式並結合本文給出的具體實施例的詳細描述可以更好地理解本揭露的該等方面。應當理解的是，圖式中示出的數據決不限制本揭露的範圍。 圖1A-1C益生菌大腸桿菌可被工程化以在體外和體內感測血液。圖 1A血液感測器基因迴路的示意圖。細胞外血紅素通過外膜轉運蛋白ChuA內化並與轉錄抑制因子HtrR相互作用以允許細菌螢光素酶操縱子luxCDABE 的轉錄。圖 1B在實驗室（MG1655）和益生菌（Nissle）大腸桿菌菌株中的原型（V1）和最佳化（V2）血紅素感測基因迴路的劑量-反應曲線。誤差條表示三次獨立的生物學複製的SEM。圖 1C給予C57BL6/J小鼠載體（PBS）或吲哚美辛（10mg/kg）以誘導消化道出血並在第二天接種血液感測器大腸桿菌Nissle細胞。與對照動物相比，投予吲哚美辛的小鼠的糞便顆粒的標準化發光值明顯更高（*P = 0.04；學生t試驗；n = 10）。 圖2A-2E用於細胞生物感測器的小型化無線感測的MBED設計和體外評估。圖2A裝置的橫截面、電氣系統圖、以及正面和背面照片。圖2B沒有細胞之下測得的系統光電流響應。入射光子通量由綠色LED（λ= 525nm）提供，並用光功率計校準（n = 3個裝置）。圖2C血液感測器MBED在補充有0ppm和500ppm血液的細菌生長培養基中的動力學響應。圖2D在暴露後2小時，血液感測器MBED在含有不同血液濃度的細菌生長培養基中的劑量反應。最左邊的數據點表示沒有血液時的背景響應。圖2E MBED為模組化平台，用於藉由使用替代的益生菌生物感測器檢測多個腸相關的小分子。將含有HrtR、LuxR及ThsRS的大腸桿菌Nissle菌株在MBED中暴露於500ppm血液、100nM醯基高絲胺酸內酯（AHL）、或10mM硫代硫酸鹽2小時。在C-E中，誤差條表示用不同MBED進行的3次獨立生物學複製的SEM。*P >0.05，**P >0.01，學生t試驗。 圖3A-3E MBED可以快速檢測豬胃出血。圖3A示意描繪實驗流程，其中包括中和溶液中的血液施用、膠囊放置、及連接到膝上型電腦或行動電話的商用接收器的無線讀取。圖3B浸沒在胃內容物中的裝置的內視鏡影像。圖3C位於胃內的裝置的X射線影像。圖3D放置在胃腔中的MBED可以快速區分施用血液的豬與緩衝液對照組。誤差條表示6次MBED實驗的SEM（不同日期的3隻動物，每隻動物2個膠囊）。圖3E MBED感測隨時間的接收器操作特性（ROC）曲線。在t = 120分鐘時實現完美檢測。*P >0.05，學生t試驗。 圖4用於在體內感測生物標記的膠囊，使用全細胞細菌感測器和無線電子讀取。 圖5A-5D 原型血紅素感測基因迴路的設計與體外評估。圖5A血紅素響應啟動子的啟動子設計。基於噬菌體λ的晚期啟動子（P_L(TetO) ）的合成啟動子的TetR操縱子位點（Lutz R. and Bujard H., Nucleic Acids Res. 1997 Mar 15; 25(6): 1203-10）被替換為與HrtR結合的操縱子DNA序列。保留了-10和-35位點之間的間距。圖5B-5D在各種濃度的氯化血紅素（圖5B）、全馬血液（圖5C）、及在模擬胃液中裂解的血液（圖5D）中的大腸桿菌MG1655中的原型基因迴路的劑量-反應曲線。基因迴路包含單獨P_L(HrtO) -luxCDABE （Lux）、P_L(HrtO) -luxCDABE 與HrtR轉錄抑制因子（HrtR+Lux）、或P_L(HrtO) -luxCDABE 、HrtR和ChuA血紅素轉運蛋白（ChuA+HrtR+Lux）。在暴露於誘導物後2小時測量發光值，並將其標準化為培養物的光密度。誤差條表示三個獨立的生物學重複的SEM。 圖6A-6D藉由改變HrtR的轉譯起始強度來最佳化基因迴路。圖6A-6C在各種濃度的氯化血紅素（圖6A）、全馬血液（圖6B）、及在模擬胃液中裂解的血液（圖6C）中的大腸桿菌MG1655中的血紅素感測基因迴路的劑量-反應曲線。使用不同的計算設計核醣體結合位點（RBS）改變HrtR的轉譯起始強度（Salis HM, Methods Enzymol. 2011; 498: 19-42）。圖6D預測的RBS強度。在暴露於誘導物後2小時測量發光值，並將該等發光值標準化為培養物的光密度。誤差條表示三個獨立的生物學重複的SEM。 圖7血液生物感測器響應不同哺乳動物來源的血液。用在模擬胃液中裂解的各種濃度的人血或馬血處理大腸桿菌Nissle血液感測器菌株（來自圖1B的Nissle V2）。在暴露於誘導物後2小時測量發光值，並將該等發光值標準化為培養物的光密度。誤差條表示三個獨立的生物學重複的SEM。 圖8血液生物感測器菌株的動力學反應。用10μM氯化血紅素（棕色）、1000ppm血液（紅色）、或PBS（黑色）處理大腸桿菌Nissle血液生物感測器（來自圖1B的Nissle V2），並在盤讀數器中每5分鐘測量發光響應持續2小時。將發光值標準化為細菌培養物的光密度。誤差條表示三個獨立生物實驗的SEM。 圖9大腸桿菌Nissle 1917通過小鼠消化道的運送時間。藉由口服強飼法用約2×10⁸ CFU的血液生物感測器接種C57BL/6J小鼠（n = 4）。在強飼之前和強飼後2、4、6、8和24小時從小鼠收集糞便顆粒並鋪板以測定CFU計數。所有小鼠在強飼後6小時在其糞便中皆含有生物感測器細菌，而且未觀察到移植。虛線表示試驗的檢測極限（LOD）。 圖10A-10B在吲哚美辛誘導的消化道出血的體內小鼠模型中血紅素生物感測器可以檢測血液。圖10A在給予吲哚美辛（10 mg/kg）或PBS緩衝液作為陰性對照之前6小時（第0天）或之後16小時（第1天），用約2×10⁸ CFU的大腸桿菌Nissle血液感測器接種小鼠。藉由癒創木脂試驗證實出血的誘導。在強飼後6小時從動物收集糞便顆粒、勻漿化並分析發光產生以及鋪板以計數菌落形成單元（CFU）。將發光值對糞便顆粒中的細胞數標準化（n = 10）。*P >0.05，學生t試驗。圖10B強飼後6小時糞便顆粒中的CFU計數量。 圖11A-11C膠囊讀數變化的特徵在於光輸入功率、溫度變化及流體浸沒。圖11A單一裝置內三個通道上的測量值之間的變化係數，以輸入光強度為特徵（N = 3個裝置）。在低訊號量時，測量標準偏差受到白雜訊的限制（1.3pA時13％_rms 雜訊）。在較高的訊號量下，它受到通道之間不匹配的限制（3pA以上>6％_rms ）。圖11B校準後溫度變化引起的殘餘變化。將溫度從35℃逐步升高至40℃（溫度變化5℃）並測量三個感測器通道的標準偏差（N = 3個裝置）。圖11C模擬胃液（SGF）中MBED裝置72小時的測量穩定性（n = 3）。對於兩個裝置來說，電流值在測量期間是穩定的。第三個系統運行36小時後，因濕度造成的腐壞變得明顯。 圖12A-12H各種血液濃度的血液感測器MBED的技術複製。將大腸桿菌Nissle血液生物感測器的整夜培養物在新鮮的2xYTPG中稀釋，並一式三份裝入MBED中。野生型Nissle被載入參考通道中。將組裝好的裝置浸沒在預熱的LB中，該LB補充有指定濃度的血液。每條線描繪給定濃度的血液的單一MBED的生物學複製平均響應。誤差條表示單一裝置中三個重複通道的標準偏差。圖12A：1000 ppm；圖12B：500 ppm；圖12C：250 ppm；圖12D：125 ppm；圖12E：62.5 ppm；圖12F：31.25 ppm；圖12G：15.625 ppm；以及圖12H：0 ppm。 圖13A-13D醯基高絲胺酸內酯（AHL）和硫代硫酸鹽響應生物感測器的設計和特徵化。圖13A AHL與轉錄活化因子LuxR結合，該活化因子活化P_lux 啟動子下游的luxCDABE 操縱子的轉錄。圖13B滴定增加量的AHL產生更高量的發光。圖13C ThsRS雙組分系統介導來自P_phsA 啟動子的luxCDABE 操縱子的硫代硫酸鹽誘導表現。硫代硫酸鹽與膜結合的ThsS組胺酸激酶結合，進而磷酸化ThsR反應調節因子，使其可以活化P_phsA 的轉錄。圖13D 滴定增加量的ThsS產生更高量的發光。誤差條表示來自三個獨立的生物學重複的SEM。 圖14A-14B行動電話和900 MHz無線接收器伺服器鑰，用於可視化MBED測量結果並將其記錄到雲端。接收器伺服器鑰通過USB連接到電話，並將從MBED裝置無線接收的封包傳送到應用軟體。該軟體將數據上傳到雲端服務並為使用者執行可視化。顯示的是行動電話的前面（圖14A）和後面（圖14B）的視圖。 圖15A-15B在行動電話上向使用者顯示MBED測量結果的應用軟體。在豬研究期間從MBED裝置接收代表性數據，其中給予緩衝溶液（圖15A）和血液溶液（圖15B）。 圖16血液感測MBED在豬胃環境中的個別複製。將血液感測器MBED放置在豬的胃腔中，給予該等豬含有0.25mL血液的中和溶液（紅色）或單獨緩衝液（黑色）。在裝置放置後，無線收集來自MBED的讀值持續120分鐘。深色跡線表示6個重複MBED的平均值（不同日期的3隻動物，每隻豬2個裝置），淡色跡線表示給定MBED的個別電流值。 圖17功能性血液生物感測基因迴路是MBED在豬胃環境中檢測血液所必需的。將含有功能性生物感測器迴路（感測器）、缺乏螢光素酶輸出的迴路（Δlux）、及缺乏血紅素轉運蛋白ChuA的迴路（ΔchuA）的大腸桿菌Nissle菌株載入MBED中。將裝置放置在動物的胃中，給予該等動物摻入血液的中和溶液或單獨緩衝液。在裝置放置後無線收集MBED讀值持續120分鐘。只有對應於施用血液的豬的功能性生物感測器的通道顯示出高量的發光。豬胃中的內源性血紅素量以及對豬胃環境的細胞反應不足以產生高量的生物發光。誤差條表示6次MBED實驗的SEM（不同日期的3隻動物，每隻動物2個膠囊）。圖表在120分鐘從上到下繪示：+血液、感測器；- 血液、感測器；- 血液、Δlux；+血液、Δlux和 - 血液、ΔchuA； +血液、ΔchuA。 圖18圖示依據說明性具體實施例的MBED的電子元件的方塊圖，例如圖2A的MBED。

無

Claims (48)

1. 一種包含一電子元件的裝置，其中該電子元件包含： 至少一檢測器，設以對一相應電容充電，其中該至少一檢測器中的每一檢測器皆設以檢測來自一生物感測器元件的一輸出； 一比較器，設以將來自該至少一檢測器中的每一檢測器的各個電壓訊號與一參考電壓進行比較，每一電壓訊號表示由該相應電容儲存的電荷； 一振盪計數器，設以在來自該至少一檢測器的一第一檢測器的電壓訊號超過該參考電壓時儲存該第一檢測器對該電容充電時所採用的一振盪器週期數；以及 一發射器，設以在來自該至少一檢測器中的每一檢測器的電壓訊號超過該參考電壓時無線發送該至少一檢測器對該電容充電時所採用的相應儲存振盪器週期數。
2. 如請求項1之裝置，其中該至少一檢測器中的至少一檢測器為一光檢測器。
3. 如請求項1或2之裝置，其中該裝置包含用於檢測和移除背景光和溫度引起的漂移的一校準方案。
4. 如請求項1至3中任一項之裝置，其中該裝置成形為一膠囊或球囊。
5. 如請求項4之裝置，其中該膠囊或球囊的一橫截面直徑小於10 cm、9 cm、8 cm、7 cm、6 cm、5 cm、4 cm、3 cm、2 cm、或1 cm。
6. 如請求項1至5中任一項之裝置，其中該裝置可被一患者吞嚥。
7. 如請求項1至6中任一項之裝置，進一步包含至少一生物感測器元件，其中該至少一生物感測器元件中的每一生物感測器元件： 對至少一訊號分析物的存在敏感；以及 將該至少一訊號分析物的存在傳達給該電子元件，可選地其中該傳達與該至少一訊號分析物的豐度成比例。
8. 如請求項7之裝置，其中該至少一生物感測器元件中的每一生物感測器元件藉由一半透膜與外部環境分離，該半透膜允許該至少一訊號分析物擴散。
9. 如請求項8之裝置，其中該半透膜為一聚醚碸膜過濾器。
10. 如請求項6至9中任一項之裝置，其中該至少一生物感測器元件中的至少一生物感測器元件為一酶促生物感測器或一非酶促生物感測器。
11. 如請求項10之裝置，其中該非酶促生物感測器包含一抗體、一結合蛋白、或一核酸。
12. 如請求項10之裝置，其中該酶促生物感測器或非酶促生物感測器為包含至少一微生物的一細胞生物感測器。
13. 如請求項12之裝置，其中該至少一微生物以一休眠狀態存在於該裝置中。
14. 如請求項12或13之裝置，其中該至少一微生物與其他物質結合以幫助該至少一微生物離開該休眠狀態，以對該至少一微生物提供營養、及/或延長該至少一微生物的壽命。
15. 如請求項12至14中任一項之裝置，其中該至少一微生物中的至少一微生物包含一工程化基因迴路。
16. 如請求項15之裝置，其中該工程化基因迴路的該輸出為發光、螢光、離子流、或濁度。
17. 如請求項5至16中任一項之裝置，其中該至少一訊號分析物中的至少一訊號分析物係選自由一微生物、一生物分子、或一無機分子所組成之群組。
18. 如請求項5至16中任一項之裝置，其中該至少一訊號分析物中的至少一訊號分析物為一生物分子。
19. 如請求項18之裝置，其中該生物分子係選自由血紅素、硫代硫酸鹽、及醯基高絲胺酸內酯所組成之群組。
20. 一種原位檢測至少一訊號分析物的方法，包含使如請求項1至19中任一項的裝置與一樣品接觸，並將該裝置的該輸出與一對照組進行比較。
21. 如請求項20之方法，其中該樣品係選自由土壤、水、空氣或食物所組成之群組。
22. 一種監測患者健康的方法，包含使如請求項1至19中任一項的裝置與一患者接觸，並將該裝置的該輸出與一對照組進行比較。
23. 如請求項22之方法，其中該對照組係通過分析一健康患者群體來建立。
24. 如請求項22或23之方法，其中該裝置與該患者的接觸係藉由口服投予或放置該裝置於食道、胃或腸中來進行。
25. 如請求項22或23之方法，其中該裝置與該患者的接觸係藉由手術植入來進行。
26. 如請求項22至25中任一項之方法，其中該患者為一人類患者。
27. 如請求項26之方法，其中該人類患者易患疾病、病症、病態、病況或病。
28. 如請求項26或27之方法，其中該人類患者已被診斷患有疾病、病症、病態、病況或病。
29. 一種容置於適於吞食的一膠囊或球囊內的裝置，包含一電子元件和至少一生物感測器元件，其中： 該電子元件包含藉由（a）一電池、（b）能量收集、或（c）無線電力傳輸供電的無線低功率電子元件，其中該低功率電子元件包含至少一檢測器；以及 每一生物感測器元件（a）藉由一半透膜與外部環境分離、（b）對至少一訊號分析物的存在敏感、及（c）將該至少一訊號分析物的存在傳達給該電子元件，可選地其中該傳達與該至少一訊號分析物的豐度成比例。
30. 如請求項29之裝置，其中該至少一檢測器中的至少一檢測器為一光檢測器。
31. 如請求項29或30之裝置，其中該膠囊或球囊的一橫截面直徑小於10 cm、9 cm、8 cm、7 cm、6 cm、5 cm、4 cm、3 cm、2 cm、或1 cm。
32. 如請求項29至31中任一項之裝置，其中該半透膜為一聚醚碸膜過濾器。
33. 如請求項29至32中任一項之裝置，其中該至少一生物感測器元件中的至少一生物感測器元件為一酶促生物感測器或一非酶促生物感測器。
34. 如請求項33之裝置，其中該非酶促生物感測器包含一抗體、一結合蛋白、或一核酸。
35. 如請求項33之裝置，其中該酶促生物感測器或非酶促生物感測器為包含至少一微生物的一細胞生物感測器。
36. 如請求項35之裝置，進一步包含至少一對照元件，該至少一對照元件包含一校準用參考微生物，用以移除背景光和溫度引起的漂移。
37. 如請求項35或36之裝置，其中該至少一微生物以一休眠狀態存在於該裝置中。
38. 如請求項35至37中任一項之裝置，其中該至少一微生物與其他物質結合以幫助該至少一微生物離開該休眠狀態，以對該至少一微生物提供營養、及/或延長該至少一微生物的壽命。
39. 如請求項35至38中任一項之裝置，其中該至少一微生物中的至少一微生物包含一工程化基因迴路。
40. 如請求項39之裝置，其中該工程化基因迴路的該輸出為發光、螢光、離子流、或濁度。
41. 請求項29至40中任一項之裝置，其中該至少一訊號分析物中的至少一訊號分析物係選自由一微生物、一生物分子、或一無機分子所組成之群組。
42. 如請求項29至40中任一項之裝置，其中該至少一訊號分析物中的至少一訊號分析物為一生物分子。
43. 如請求項42之裝置，其中該生物分子係選自由血紅素、硫代硫酸鹽、及醯基高絲胺酸內酯所組成之群組。
44. 一種監測患者健康的方法，包含對一患者口服投予如請求項29至43中任一項之裝置及將該裝置的該輸出與一對照組進行比較。
45. 如請求項44之方法，其中該對照組係通過分析一健康患者群體來建立。
46. 如請求項44或45之方法，其中該患者為一人類患者。
47. 如請求項46之方法，其中該人類患者易患疾病、病症、病態、病況或病。
48. 如請求項44至47中任一項之方法，其中該人類患者已被診斷患有疾病、病症、病態、病況或病。

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