一种包含工程菌双腔室的电子胶囊

技术领域

本发明涉及生物医学技术领域，具体涉及一种包含工程菌双腔室的电子胶囊。

背景技术

肠道细菌与人类健康息息相关，而合成生物学的设计和构建技术使得肠道细菌成为了新时代的工程化"生物活药"，进一步强化了肠道细菌在疾病防治中的功效。这一领域的研究目前已成为生物医药界的前沿热点，国内外已涌现出近百种肠道工程菌生物活药，这些活药已经进入临床试验阶段，并有望在不久的将来取得应用突破。

在肠道诊疗领域，如肠道炎症和肠道功能障碍等方面，肠道工程菌发挥着重要作用。作为"细胞传感器"，这些工程菌能够实时感知疾病的标志物分子并产生表征信号，为疾病的早期诊断提供了重要依据。同时，它们也是"细胞工厂"，通过设计光敏蛋白信号线路，构建光遗传工程菌，当光遗传工程菌受到光照时可以精准释放治疗因子，实现疾病的有效防治。这种双重功能使得肠道工程菌成为一种极具潜力的治疗手段。

然而，工程菌活药在口服后无法实时地监测和调控，从而限制了其实际功效，导致其在体内应用时难以进行个性化调控，因此"如何监测和调控体内工程菌"成为亟待解决的关键科学问题。

因此，提供一种可以监测和调控体内工程菌的电子胶囊是本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明目的在于提出一种包含工程菌双腔室的电子胶囊，本发明通过电子胶囊设置监测用工程菌腔室和治疗用工程菌腔室包含传感和治疗用工程菌，监测用工程菌受到外界炎症分子激活表达颜色蛋白而变色，这种颜色变化可以被电子胶囊的颜色传感器识别并传输至上位机，指征肠道炎症，治疗用工程菌受到电子胶囊LED发出的光激活而表达分泌治疗因子，本发明的电子胶囊，可以达到监测和调控的效果，同时保护工程菌减少外界环境的影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种包含工程菌双腔室的电子胶囊，包括一端开口的胶囊外壳，以及封装在所述胶囊外壳开口处的工程菌腔室，和与所述工程菌腔室连接的电池组；

其中，所述工程菌腔室包括通过控制电路板分隔形成的监测用工程菌腔室和治疗用工程菌腔室，所述控制电路板一端固定在所述胶囊外壳开口处的工程菌腔室壁上，且所述胶囊外壳开口处的工程菌腔室壁采用半透膜；

所述电池组和所述控制电路板电连接。

在解决现有技术存在问题的过程中，首要任务是有效监测工程菌的信号，对监测工程菌信号的实时监测与分析对于掌握其活性和效果至关重要，只有通过准确监测，才能及时调控工程菌的行为，确保其在肠道中发挥理想的疗效；其次，当光遗传工程菌被设计用于肠道疾病治疗时，由于光在组织中的传播受到散射的影响，使得光信号的强度随着深度的增加而逐渐衰减，此外，光还会被组织中的色素和血红蛋白吸收，导致进一步的信号衰减。因此，光遗传肠道工程菌的激活效率在深层组织中较低，限制了其在治疗过程中的精确调控能力。因此，针对性工程菌活药诊疗应用中的监测和调控问题，本发明将在电子胶囊中设置工程菌双腔室，工程菌双腔室通过半透膜监测和释放相关物质进出，监测用工程菌腔室利用颜色传感器识别监测用工程菌的颜色变化并传输至上位机，并通过上位机控制LED灯发光控制治疗用工程菌产生治疗因子，达到了监测和调控的效果，同时解决了现有技术中存在的问题。

优选的，所述控制电路板在所述监测用工程菌腔室的一侧设有颜色传感模块和蓝牙模块，在所述治疗用工程菌腔室的一侧设有发光模块。

本发明的颜色传感模块可以直接采集工程菌的颜色传感数据，并将数据通过蓝牙模块传输到上位机，可以将监测用工程菌的表征信号直观的被外界观测到，以便及时进行治疗；同时发光模块可以直接激活治疗用工程菌，避免了光信号穿透深层组织造成的激活效率低的问题。

优选的，所述发光模块为LED发光模块。

LED发光模块可在上位机的控制下发出白光、红光、蓝光、绿光，以激活治疗用工程菌表达治疗因子。

优选的，所述颜色传感模块和所述发光模块通过所述蓝牙模块与上位机连接。

优选的，所述上位机为手机端和PC端控制电子胶囊控制电路的软件程序，可以接收来自所述蓝牙模块发送的工作状态与颜色传感数据同时呈现在软件界面上，并发送控制信息到所述蓝牙模块。

优选的，所述颜色传感数据包括：颜色传感模块获得的RGB信息和HSL信息；

所述控制信息包括：控制颜色传感模块获取传感数据的信息、控制LED发光模块发光的信息。

优选的，所述胶囊为圆柱体和半球体的组合体，所述胶囊外壳的开口处设置在所述圆柱体上。

优选的，所述胶囊外壳由生物相容性原料经过3D打印制造。

半球体结构可以使胶囊在肠道内更好地运动，外壳可以保护内部系统和工程菌免受外界环境的影响，同时避免工程菌泄漏到肠道内，具有一定的生物安全性。

优选的，所述监测用工程菌腔室采用的为通过合成生物学方法设计改造的可以传感炎症标志物后表达颜色蛋白的工程菌。

优选的，所述工程菌的底盘为大肠杆菌DH5α、BL21和Nissle 1917中的任意一种，所述颜色蛋白包括UM10、mCherry、sfGFP和purple中的任意一种，将表达所述颜色蛋白的质粒转化入所述工程菌底盘表达即可，将表达上述颜色蛋白的质粒转化入上述工程菌底盘表达，可以分别呈现蓝色、玫瑰红色、绿色、紫色。

优选的，所述治疗用工程菌腔室采用的为通过合成生物学方法设计改造的可以受光激活表达治疗因子的工程菌。

优选的，所述工程菌的底盘为大肠杆菌DH5α、BL21和Nissle 1917中的任意一种，所述治疗因子包括mIL-10或者eGF，将表达所述治疗因子的质粒转化入所述工程菌底盘表达即可。

优选的，所述电池组采用纽扣电池，为控制电路供电。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明电子胶囊的颜色传感模块可以直接采集工程菌的颜色传感数据，并将数据通过蓝牙模块传输到上位机，可以将监测用工程菌的表征信号直观的被外界观测到，以便及时进行治疗。

（2）本发明电子胶囊的LED发光模块可以直接激活治疗用工程菌，避免了光信号穿透深层组织造成的激活效率低的问题。

（3）本发明电子胶囊将工程菌包封在电子胶囊内部，可以减少胃肠道环境对工程菌的影响，同时，工程菌不会直接与生物体直接接触，一定程度上保障了生物安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，本描述中的附图仅仅是本发明的实施例。

图1是本发明实施例1电子胶囊结构的正视图；

图2是本发明实施例1电子胶囊结构的左视图；

图3是本发明实施例1颜色传感模块和蓝牙模块电路板结构示意图；

图4是本发明实施例1LED发光模块电路板示意图；

图5是本发明实施例1电子胶囊的3D结构图；

图6是本发明实施例1工程菌腔室的3D结构图；

图中：1—胶囊外壳；2—纽扣电池组；3—工程菌腔室右壁；4—工程菌腔室壁；5—监测用工程菌腔室；6—治疗用工程菌腔室；7—半透膜；8—控制电路板；9—颜色传感模块；10—蓝牙模块；11—LED发光模块。

具体实施方式

下面描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不理解为对本发明的限制。

本发明提供了一种包含工程菌双腔室的电子胶囊，包括一端开口的胶囊外壳，以及封装在胶囊外壳开口处的工程菌腔室，和与工程菌腔室连接的电池组；

其中，工程菌腔室包括通过控制电路板分隔形成的监测用工程菌腔室和治疗用工程菌腔室，控制电路板一端固定在胶囊外壳开口处的工程菌腔室壁上，且胶囊外壳开口处的工程菌腔室壁采用半透膜；

电池组和所述控制电路板电连接；

控制电路板在监测用工程菌腔室的一侧设有颜色传感模块和蓝牙模块，在治疗用工程菌腔室的一侧设有发光模块，颜色传感模块和发光模块通过所述蓝牙模块与上位机连接；

上位机为手机端和PC端控制电子胶囊控制电路的软件程序，可以接收来自蓝牙模块发送的工作状态与颜色传感数据同时呈现在软件界面上，并发送控制信息到蓝牙模块；

胶囊为圆柱体和半球体的组合体，胶囊外壳的开口处设置在所述圆柱体上；

相应电子胶囊的使用流程为：

步骤1、将监测用工程菌包封入监测用工程菌腔室，将治疗用工程菌包封入治疗用工程菌腔室，双腔室左侧用半透膜封闭，完成双腔室电子胶囊的组装；

步骤2、将电子胶囊送服进入消化道，待电子胶囊进入肠道中，若肠道内存在炎症，炎症标志物将穿过半透膜进入监测用工程菌腔室，激活监测用工程菌表达颜色蛋白，从而使工程菌发生颜色改变；

步骤3、上位机控制电子胶囊的颜色传感模块采集工程菌的颜色传感数据，并将颜色传感数据通过蓝牙模块发送至上位机，呈现在软件程序界面，可以指示肠道内的炎症；

步骤4、若颜色传感数据指示肠道内存在炎症，则通过上位机控制电子胶囊的LED发光模块发光，激活治疗用工程菌腔室中的治疗用工程菌表达治疗因子，治疗因子透过半透膜进入肠道中，从而缓解炎症。

实施例1

如图1-6一种包含工程菌双腔室的电子胶囊，具体包括以下结构：

胶囊为圆柱体和半球体的组合体，其中，包括一端开口的胶囊外壳1，胶囊外壳由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）经3D打印而成，以及封装在胶囊外壳开口处的工程菌腔室，和与工程菌腔室连接的纽扣电池组2，工程菌腔室为与胶囊外壳开口相匹配的空心的圆柱体，通过控制电路板8分隔形成的上下的等分的监测用工程菌腔室5和治疗用工程菌腔室6，监测用工程菌腔室5和治疗用工程菌腔室6左侧均由半透膜封闭，半透膜为上海兴亚净化材料厂生产的孔径0.22 um的玻璃纤维半透膜，右侧和圆柱面通过工程菌腔室右壁3和工程菌腔室壁4完全封闭，工程菌腔室右壁和工程菌腔室壁均由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）经3D打印而成；纽扣电池组2和控制电路板8电连接；

控制电路板8在监测用工程菌腔室5的一侧设有颜色传感模块9和蓝牙模块10，在治疗用工程菌腔室6的一侧设有发光模块11，颜色传感模块9和发光模块11通过蓝牙模块9与上位机连接；上位机为手机端和PC端控制电子胶囊控制电路的软件程序，可以接收来自蓝牙模块10发送的工作状态与颜色传感数据同时呈现在软件界面上，并发送控制信息到蓝牙模块10；

具体的使用流程为：

步骤1、将PyeaR-UM10质粒通过化学转化法转化大肠杆菌DH5α感受态，得到监测用PyeaR-UM10工程菌；将pDawn-mIL-10质粒通过化学转化法转化大肠杆菌DH5α感受态，得到治疗用pDawn-mIL-10工程菌；

步骤2、将监测用PyeaR-UM10工程菌包封入监测用工程菌腔室，将治疗用pDawn-mIL-10工程菌包封入治疗用工程菌腔室，双腔室左侧用半透膜封闭，完成双腔室电子胶囊的组装；

步骤3、将电子胶囊送服进入消化道，待电子胶囊进入肠道中，如果肠道内存在炎症，炎症标志物硝酸盐及亚硝酸盐将穿过半透膜进入监测用工程菌腔室，激活监测用PyeaR-UM10工程菌表达颜色蛋白UM10，从而使工程菌变为灰蓝色；

步骤4、上位机控制电子胶囊的颜色传感模块采集工程菌的颜色传感数据，并将颜色传感数据通过蓝牙模块发送至上位机，呈现在软件程序界面，可以指示肠道内的炎症；

步骤5、颜色传感数据指示肠道内存在炎症，通过上位机控制电子胶囊的LED发光模块发出蓝光，激活治疗用工程菌腔室中的治疗用pDawn-mIL-10工程菌表达治疗因子mIL-10，mIL-10透过半透膜进入肠道中，激活巨噬细胞抑制炎症细胞因子表达，从而缓解炎症，通过测定粪便中的隐血可以表征肠道炎症缓解情况，治疗后，粪便隐血减少，可以证明肠道炎症缓解。

实施例2

包含工程菌双腔室的电子胶囊的结构与实施例1相同；

具体的使用流程为：

步骤1、将PyeaR-purple质粒通过化学转化法转化大肠杆菌DH5α感受态，得到监测用PyeaR-purple工程菌；将pDawn-eGF质粒通过化学转化法转化大肠杆菌DH5α感受态，得到治疗用pDawn-eGF工程菌；

步骤2、将监测用PyeaR-purple工程菌包封入监测用工程菌腔室，将治疗用pDawn-eGF工程菌包封入治疗用工程菌腔室，双腔室左侧用半透膜封闭，完成双腔室电子胶囊的组装；

步骤3、将电子胶囊送服进入消化道，待电子胶囊进入肠道中，如果肠道内存在炎症，炎症标志物硝酸盐及亚硝酸盐将穿过半透膜进入监测用工程菌腔室，激活监测用PyeaR-purple工程菌表达颜色蛋白purple，从而使工程菌变为紫色；

步骤4、上位机控制电子胶囊的颜色传感模块采集工程菌的颜色传感数据，并将颜色传感数据通过蓝牙模块发送至上位机，呈现在软件程序界面，可以指示肠道内的炎症；

步骤5、颜色传感数据指示肠道内存在炎症，通过上位机控制电子胶囊的LED发光模块发出蓝光，激活治疗用工程菌腔室中的治疗用pDawn-eGF工程菌表达治疗因子eGF，eGF透过半透膜进入肠道中，刺激肠道上皮细胞生长，促进肠道上皮的修复愈合，从而缓解炎症，通过测定粪便中的隐血可以表征肠道炎症缓解情况，治疗后，粪便隐血减少，可以证明肠道炎症缓解。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。