人们通常对从别人肠道里砰然排出的“浊气”敬而远之。但对科研人员来说，这些肠道气体在反映人的健康状况方面有着别样的意义。近日，来自墨尔本皇家理工大学、莫纳什大学和澳大利亚联邦科学与工业研究组织（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization）的研究人员们在监测肠内气体的仪器研发上有了新的突破——他们研发出了两个新颖的装置，一个能监测体外粪便培养时气体组分变化，一个是能够实时监测肠内气体构成的胶囊。这项新进展于3月12日发表在《生物技术趋势》（Trends in Biotechnology）上^[1]。

说起肠内气体，人们不免会想到“屁”。在采访中，论文的通讯作者、墨尔本皇家理工大学库奥罗什·卡兰塔尔-扎德（Kourosh Kalantar-zadeh）教授也坦言：“没错，我们（在研发过程中）有时的确就把那些胶囊叫做‘屁传感器（fart sensor）’！”您可先别笑。且不说这些气体得离开人体了才能得到“屁”之美名，就算在体内，消化道不同部位的气体构成也不同。“结肠中产生的气体几乎和屁一样——但小肠和胃产生的气体就不一样了。” 库奥罗什表示。“总的来说，气味少一点意味着肠道更健康。但气味确实取决于人吃过的食物、环境，以及遗传。”

这些肠道气体主要是肠内微生物的代谢产物。由于肠道菌群不仅能辅助许多物质的消化，合成许多人体需要的维生素和有机酸（如胆酸），更能和我们的免疫系统“合作共赢”^[2]，监测它们的状态变得十分有意义。然而，“（以往人们使用的）是间接方法，例如DNA或RNA测序。这些方法能够提供肠道微生物种类的信息，但并不能获知它们的代谢情况。”库奥罗什介绍道。

不同类型的细菌会产生不同的气体，这些气体进而能影响肠道功能^[1]：以厚壁菌（Firmicutes）为主力的厌氧菌们产生二氧化碳和氢气，而氢气又能进一步被产甲烷古菌、硫还原细菌或产乙酸菌利用^[3]，产生甲烷（能影响肠蠕动）、硫化氢（能影响平滑肌收缩）等。此外，产物中还有甲硫醇、甲硫醚等挥发性有机物。不同的菌种比例和代谢水平影响着气体组分，不仅给了气体独特的“风味”，还使之成为推测菌群代谢状况，进而诊查肠道健康的重要线索。

“要确定肠道微生物的代谢状况及其对身体健康，尤其是饮食和疾病的影响，气体样本是个很好的生物指标。”库奥罗什对科学人说，“然而，目前为止对这些气体的测量还很困难：一些传统的气体采集方式——例如将采集管伸入口或肛门里——非常不方便。而像呼气分析（breath analysis）这样的方法又并不精确，因为气体样本是呼吸产生的，而且含有血管中释放的气体，干扰测量。”

这个科研团队提供了两种方法来改变现状：体外发酵测量和体内实时监测。其中，体外发酵是在体外模拟出肠道中的温度、湿度和无氧条件，让新鲜粪便样本里的肠道菌群继续活动一段时间，并测量过程中产生的气体。罐口的气体感受器能十分灵敏快捷地检测到不同组分气体含量的变化，这使该装置得以追踪气体组成的动态变化。

图A：粪便体外发酵监测一体系统示意图。图B：氢气、甲烷和二氧化碳的分压，硫化氢的浓度，以及它们的总压力。图片来源：研究论文 编译：Paradoxian

不过，发酵罐毕竟是体外装置，并不能完全模拟出患者体内的肠道环境。这支团队提供的第二个策略便是利用一个“胶囊”进行体内实时监测。“我们觉得用人类气体监测胶囊（human gas capsules）将会是最准确地实时实地测量肠道气体样本的方式。”库奥罗什说，“监测胶囊这个概念先前就有，诸如相机胶囊和pH胶囊，它们都是非侵入性的。我们觉得人类气体探测胶囊的研发也会非常有价值，于是我们就着手做了这些胶囊！”

图A为气体监测胶囊模式图。图B为胶囊中的氢气感受器在猪体内测到的数据。图片来源：研究论文 编译：Paradoxian

当然，做起来总比说起来要困难许多。“（研发过程中的）一切都很有挑战性：从将感受器、电子器件和电池整合到一个极小的空间内，到电池寿命和电磁通讯的可靠性，再到胶囊的密封和在体内滞留的时间等等……” 库奥罗什回忆道。现有的微型气体感受器需要在温度较高的环境下运作，这项附带的发热要求对电池容量也是个不小的挑战。幸而，团队最终克服了这些挑战，让实时实地的监测成为可能。

万事开头难，相信今后科学家们的努力会让此类非侵入类诊疗方式变得更加便捷可及。也许将来有一天，这些胶囊们会成为我们私人健康顾问中的重要一员。（编辑：Calo）

参考文献：

1. Ou, J.Z. et al. (2015) Human intestinal gas measurement systems: in vitro fermentation and gas capsules. Trends in Biotechnology, In Press.
2. Nicholson, J.K. et al. (2012) Host–gut microbiota metabolic interactions. Science 336, 1262–1267
3. Carbonero, F., Benefiel, A. C., & Gaskins, H. R. (2012). Contributions of the microbial hydrogen economy to colonic homeostasis. Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology 9(9), 504-518.

文章题图：sciencedaily.com