Nature Electronics | “PillTrek”：可吞咽的智能实验室，实时解读肠道健康密码

星标“医工学人”，第一时间获取医工交叉领域新闻动态~

胃肠道，这条贯穿我们身体的复杂通道，不仅是营养吸收和废物排泄的工厂，更是一个蕴藏着海量健康密码的“信息高速公路”。肠道内的微生物、代谢物和激素等生化指标，深刻影响着我们的消化、免疫乃至情绪和认知功能。然而，传统的肠道检测方法，如粪便分析或侵入性的活检，既不方便，也无法提供实时、连续的动态信息。现有的商业化可吞咽胶囊也大多局限于测量pH值和压力等物理参数，无法窥探其复杂的化学世界。

近日，一篇发表于国际顶尖期刊《Nature Electronics》的开创性研究，为我们带来了革命性的解决方案。来自加州理工学院（Caltech）和韩国科学技术院（KAIST）等机构的科研团队，成功研发了一款名为“PillTrek”的集成智能胶囊。这款胶囊仅有普通药丸大小，却是一个功能完备的微型无线电化学工作站，能够在我们体内进行一场前所未有的“肠道生化之旅”。

极致的微型化与系统集成

“PillTrek”的尺寸仅为直径7毫米、长25毫米，体积小于1立方厘米，真正实现了药丸般的易于吞咽。在这小小的空间内，研究团队巧妙地集成了一个完整的系统：包括微型电池、低功耗无线射频模块、以及一个能够执行多种电化学测量技术（恒电位、安培、伏安和阻抗法）的模拟前端电路。这种高度集成化的设计，使其能够与多种类型的电化学生物传感器无缝对接，堪称一个可移动的“胶囊实验室”。

图1 “PillTrek”的设计理念与实物概览（改编自论文图1）

图片说明：该图展示了“PillTrek”的设计理念。a图描绘了胶囊在胃肠道中监测各种生化标志物（电解质、激素、代谢物）的概念。b图则展示了胶囊的爆炸视图，清晰揭示了其内部集成的电池、电路板、生物传感器等精密组件。d图和e图直观地显示了其与硬币和指尖的大小对比，凸显了其极致的微型化。

前所未有的多模态、多路生化传感能力

与现有胶囊仅能监测物理参数不同，“PillTrek”的核心突破在于其能够同时、连续地监测多种关键的生化标志物。研究团队为此开发了一个集成的传感器阵列，包括：

血清素（Serotonin）传感器：采用先进的“适体”（aptamer）作为识别元件，实现了对这种关键神经递质和肠道激素的高选择性检测。

葡萄糖（Glucose）传感器：基于酶反应进行检测，用于评估营养吸收和代谢健康。

pH值和离子强度传感器：用于监测肠道的基本理化环境。

这种多路复用的能力，使得“PillTrek”能够绘制出一幅动态的、多维度的肠道化学图谱，这对于理解复杂的肠道生理和病理过程至关重要。

图2 “PillTrek”的电化学传感器阵列及其性能（改编自论文图2）

图片说明：该图详细展示了胶囊前端的集成传感器阵列（a-e），并分别呈现了葡萄糖、pH、离子强度和血清素传感器在不同浓度下的精准响应曲线（f-j），证明了其优越的传感性能和可靠性。m图的选择性测试进一步表明，各个传感器对自己的目标物响应灵敏，而对其他干扰物“视而不见”。

智能校准与活体验证

肠道环境极其复杂多变，对传感器的稳定性构成了巨大挑战。为此，研究团队为“PillTrek”设计了智能的实时校准机制，例如针对血清素传感器采用“双频比率法”来消除背景干扰，并综合pH、离子强度和温度数据对测量结果进行补偿，确保了在真实肠道环境中的检测精度。

最令人振奋的是，研究团队在兔子的活体模型中成功验证了“PillTrek”的全部功能。通过手术将胶囊植入兔子肠道，并经由导管向肠道内输送不同浓度的葡萄糖和血清素溶液，“PillTrek”成功地实时、连续监测到了这些生化指标的动态变化，并通过无线方式将数据传输到体外接收设备。X光片清晰地显示了胶囊在肠道内的位置和移动。

图3 “PillTrek”在兔子活体模型中的实时监测结果（改编自论文图5）

图片说明：该图是本次研究的“高光时刻”。它展示了在两只不同的兔子体内，“PillTrek”连续监测超过100分钟的数据。图表清晰地显示，在向肠道注入血清素（5-HT）和葡萄糖（Glu）后，胶囊测得的相应浓度（蓝色和红色曲线）随之精准上升，而pH、离子强度和温度等环境参数则保持稳定，完美证明了该设备在真实、动态的活体环境中进行多路生化监测的强大能力。

结论

总而言之，本文研究通过将尖端的电化学传感技术、微电子技术和生物材料科学融于一枚小小的胶囊之中，成功打造出“PillTrek”这一革命性的诊断工具。它将我们对肠道健康的认知，从静态、间接的推断，带入到了动态、直接、多维的实时监测新时代。这项技术不仅为胃肠病学、营养学、乃至神经科学（探索“肠-脑轴”的奥秘）提供了前所未有的研究利器，更预示着一个真正个性化的消化系统健康管理的未来——或许在不久的将来，我们只需吞下一颗智能药丸，就能获得一份关于自己肠道健康的、全面而详尽的实时报告。

▼参考资料

Min, J., Ahn, H., Lukas, H., Ma, X., Bhansali, R., Sunwoo, S.-H., Wang, C., Xu, Y., Yao, D. R., Kim, G., Li, Z., Hsiai, T. K., Emami, A., Jung, H.-T., & Gao, W. (2025). Continuous biochemical profiling of the gastrointestinal tract using an integrated smart capsule. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01407-0.

END

撰文 | 张越青

编辑 | 刘帅

审核 | 医工学人理事会

扫码加入医工学人，进入综合及细分领域群聊，参与线上线下交流活动