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【央视新闻客户端】

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人类肠道里居住着数以万亿计的微生物，更确切地说，人体内超过一半的细胞（57%）都是由微生物构成的。

在近些年生命科学研究中，科学家们逐渐认识到这些看似不起眼的小生物，不只是我们体内的寄居者，它们其实也是人体健康的重要合作伙伴，不仅帮助我们消化食物，还参与调节免疫系统、影响代谢过程，甚至与情绪状态有关。

△ 人体内超过一半的细胞都是微生物（来源：NIH）

既然它们如此重要，一个自然的设想就出现了——我们能否主动利用它们的功能？

既然它们本身起到了调节我们人体健康的作用，我们能不能把肠道里的细菌改造一下，让它们变得更主动，让它们成为能够感知身体状态、自动响应、并释放治疗物质的“体内医生”？

这个想法听起来很理想，但实现起来却面临一个核心问题。

关键难题：如何与细菌沟通？

尽管合成生物学已经能够设计出具备特定功能的工程细菌，比如能感知炎症信号、能合成药物蛋白，但这些细菌一旦被送入肠道，我们就无法感知它们的状态了，自然也就不知道它们是否真的启动了感知、是否正常工作、是否按计划释放了药物。

更重要的是，我们也无法给它们发出新的指令。它们一旦进入人体，就成了只能自动运行的程序，失去了灵活调整的能力。

如果要真正实现可控的微生物体内治疗，我们就必须解决一个根本难题：如何在人类和工程细菌之间建立起一条双向的信息通道？

最近，一项发表于《自然-微生物学》的研究首次在活体动物中实现了这一设想。

研究人员开发出一种可吞服的光电胶囊，能够同时接收和发送光信号，从而与工程细菌建立双向通讯机制。

改造后的工程细菌，能够根据炎症信号发光，或在光照刺激下释放治疗蛋白；

胶囊中的光学元件，可感知细菌的生物发光信号，并通过蓝牙将信息传给手机；

手机作为指挥端，通过专用APP下达指令，胶囊内的LED灯再发出特定光波，引导细菌执行任务。

这意味着，我们首次在体内实现了“感知—分析—反馈—干预”的闭环操作：细菌不仅能主动报告病情，还能在外部指令下定向启动治疗反应。

△ 发表在《自然-微生物学》的突破性研究（来源：参考文献 1）

这项研究使用了一种经过改造的大肠杆菌菌株，名叫 Escherichia coli Nissle 1917（简称 EcN）。

它是一种广泛用于人体肠道研究的益生菌，天然无害，具备良好的定殖能力。

科学家们对它进行了基因改造，使其具备两种不同的功能角色：

感知型细菌（EcN-NO-Lux）：它体内内置了一套用于探测炎症的传感系统，当肠道中出现与炎症相关的分子——比如一氧化氮（NO）或其衍生产物硝酸盐（NO??）时，它会快速启动基因表达，生成一种名为荧光素酶的酶类，产生微弱的生物发光。

简单来讲，这类细菌能通过发光告诉我们哪里出了问题。

△ 感知型细菌检测到炎症标志物会发光（来源：参考文献1）

响应型细菌（EcN-Opto-NbTNF）：它体内则配置了一套感光系统。只有在受到特定波长的绿光照射时，才会启动另一套基因表达系统，合成并分泌一种抗炎纳米抗体（Nb-TNF），这种蛋白可以中和肿瘤坏死因子α，有望缓解结肠炎等肠道疾病。

△ 响应型细菌被绿光照射时会产生抗体消炎（来源：参考文献1）

因此，这两类细菌就可以分别汇报病情和执行治疗，但它们仍然需要一个中继站来完成与人类设备之间的信号转化。这个中继站就是本次研究的核心——光电胶囊。

研究团队开发了一枚可吞服的光电胶囊。它的尺寸大致与普通药用胶囊相仿（约33毫米长，14毫米宽），但内部结构却极为复杂，包含以下关键模块：

（1） 光电倍增管（PMT）和信号放大器：可以捕捉极微弱的细菌发光信号，并将其转换为电流信号；

（2） 绿光LED阵列：可在手机控制下发出特定波长的光，用于激活响应型细菌；

（3） 蓝牙通信模块：能将采集到的光电信号实时发送给智能手机，也可接收手机指令，控制LED光源；

（4） 电源系统：由3节纽扣电池供能，可连续工作36小时以上，其中感光模块耗能高，需间歇使用。

△ 光电胶囊的组成结构及其整体尺寸（来源：参考文献1）

整个装置被密封于可耐胃肠环境的胶囊外壳中，确保能安全通过胃部，进入小肠及结肠发挥作用。通过手机作为指挥中心远程控制与实时监测。

研究人员开发了一款专用APP，它可接收并可视化胶囊发回的实时信号，判断是否有炎症发生；发出启动治疗指令，点亮LED，控制细菌分泌抗体；实现一种闭环式的疾病监测—智能决策—干预执行流程。

△ 智能手机APP的用户界面用于记录光电信号 （来源：参考文献1）

在活体猪肠道里实现诊断与治疗

完成技术搭建后，研究团队选用与人类消化道结构和生理环境高度相似的猪模型，来检验这套细菌+光电胶囊+手机系统是否能真实、稳定地工作。

他们搭建了一个模拟人类肠炎的疾病模型，用来验证体内诊断和精准干预的可行性。

研究团队在猪体内植入了感知型细菌 EcN-NO-Lux。这种菌在检测到炎症反应中升高的硝酸盐时，会快速表达荧光素酶、发出微弱的生物荧光。光电胶囊游经肠道时可接收这些光信号，并将其实时发送至手机端。

△ 将工程化的 EcN 菌株混入猪的日常饲料中进行喂养（来源：参考文献1）

为了模拟人类结肠炎的发病过程，研究人员使用右旋糖酐硫酸钠诱导猪发生炎症。

结果显示，在疾病发生后的第3天，系统就能探测到明显增强的荧光信号。

与传统临床标志物，如血清C反应蛋白、血清淀粉样蛋白A、粪便钙卫蛋白相比，该方法检测更早，且不需抽血或取粪。

光信号强度与炎症程度高度相关，具有潜力成为非侵入式的实时炎症监测工具。

△ 肠道工程菌通过光电胶囊实现监测与控制的示意图（来源：参考文献1）

这意味着，在不依赖侵入性采样的情况下，仅靠一颗胶囊和工程细菌，就可以实现疾病的早期筛查和连续动态跟踪。

在另一组实验中，研究者使用响应型细菌 EcN-Opto-NbTNF，其可在接收到胶囊发出的绿光刺激后，启动表达和分泌一种可中和TNF-α的纳米抗体Nb-TNF。这种分子已被广泛研究用于缓解炎症性肠病。

具体操作过程中，研究人员首先将经过光遗传改造的工程菌定植于猪的肠道内，并通过胃管将可吞服的光电胶囊精确投送至肠道。

随后，利用手机APP远程控制胶囊内的LED光源，每天定时开启4小时，发出特定波长的绿光，激活细菌内的光敏遗传回路。

经过光照诱导后，研究团队在肠道内容物中成功检测到高水平的Nb-TNF抗炎纳米抗体。

与未接受光照的对照组相比，接受光照激活的实验组猪体内炎症因子，如TNF、iNOS、IL-6水平显著下降，显示出更轻的炎症反应。

同时，肠道组织切片显示，这些猪的肠黏膜结构也得到了不同程度的修复，提示该系统具备一定的治疗潜力。

尽管改善幅度尚不能完全恢复健康水平，但这项技术首次在活体大动物体内实现了在正确的时间、在正确的地点，遥控释放治疗分子。

研究团队还对光电胶囊的实际应用性能进行了系统测试，结果显示其在能耗、安全性与通信稳定性方面均表现良好。

在无线连接方面，胶囊所采用的蓝牙通信模块即便在猪体内的深部胃肠道中，仍能保持稳定的数据传输，确保信息实时回传。

能源管理方面，胶囊内置的LED模块可连续发光超过36小时，而用于接收信号的感光模块则采用间歇式启动模式，仅在必要时短时开启，有效降低整体能耗。

此外，在安全性评估中，胶囊在猪体内使用过程中未引发肠道组织损伤，也未导致体温升高等不良反应，治疗组的炎症指标亦无明显恶化，表明其具备良好的生物相容性和临床应用前景。

△ 光电胶囊内置LED在36小时内的照射（来源：参考文献1）

通过这个实验，研究人员完成了一个在体内真实运行的生物—电子闭环控制系统。

未来展望：让“体内医生”投入实用

这项研究首次在大型动物体内，建立并验证了一套完整的体内双向通信系统：由工程细菌、光电胶囊和智能手机共同构成的信息通路，可以实现疾病信号的识别、反馈和干预全过程。

过去，我们对工程微生物的控制大多局限在实验室或模拟系统中。现在，我们可以通过一枚胶囊和一部手机，在体内实时读取细菌的报告，并反过来发出命令，控制其产生治疗分子。这为未来的精准医疗提供了一个全新的方向。

当然，这项技术仍处在早期验证阶段。要真正应用于人类医疗，还需要在安全性、稳定性、长期植入性等方面做更多研究。

比如：如何确保细菌在不同个体中稳定定殖？如何更长时间维持胶囊的能效与通信能力？是否能拓展到识别更多疾病信号，如肿瘤代谢物或神经递质？

更长远的目标，是将这类系统与人工智能算法和远程医疗平台相结合，实现真正的个体化健康管理。

比如，未来某一天，我们也许只需定期吞下一颗智能胶囊，系统就能自动监测肠道健康状况，并在必要时启动预防性干预，而不需要任何侵入式操作。

这不是遥远的科幻，而是一个可以预见的研究方向。微生物与电子技术的结合，正逐步打通体内与体外的沟通壁垒，也让疾病预防这件事，离实时、精准、主动越来越近。

本文出品自“科学大院”公众号（kexuedayuan）。

作者简介：Denovo科普团队（杨超，博士、中国科普作家协会会员）

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[1] Zhang, Xinyu, et al. "Ingestible optoelectronic capsules enable bidirectional communication with engineered microbes for controllable therapeutic interventions." Nature Microbiology, vol. 10, 2025, https://doi.org/10.1038/s41564-025-02057-w.

[2] Riglar, David T., and Pamela A. Silver. "Engineering bacteria for diagnostic and therapeutic applications." Nature Reviews Microbiology 16.4 (2018): 214-225.

[3] McNerney, Monica P., et al. "Theranostic cells: emerging clinical applications of synthetic biology." Nature Reviews Genetics 22.11 (2021): 730-746.

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