「人體互聯(lián)網(wǎng)」登上 Science！電刺激控制基因表達(dá)，APP 一鍵釋放胰島素

本文作者：付靜

2020-06-02 18:53

導(dǎo)語：植入物讓人們成為物聯(lián)網(wǎng)甚至人體互聯(lián)網(wǎng)的一部分。

靜脈抽血檢驗(yàn)、血糖儀快速檢測(cè)，常規(guī)的血糖監(jiān)測(cè)方法總是準(zhǔn)確度、便捷性難兩全。

如果掏出手機(jī)打開 APP 就能查看當(dāng)前的血糖水平，必要時(shí)還能一鍵注射胰島素，那就太方便了。

實(shí)際上，這個(gè)腦洞科學(xué)家已經(jīng)在幫我們著手實(shí)現(xiàn)了。

由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zürich）生物系統(tǒng)科學(xué)與工程系教授 Martin Fussenegger 帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)利用電流直接控制基因表達(dá)，成功地在患有 1 型糖尿病的小鼠身上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，這一腦洞也為使用體外電子設(shè)備調(diào)控醫(yī)用植入物提供了基礎(chǔ)。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間 2020 年 5 月 29 日，該團(tuán)隊(duì)題為 Electrogenetic cellular insulin release for real-time glycemic control in type 1 diabetic mice（電化學(xué)細(xì)胞胰島素釋放對(duì) 1 型糖尿病小鼠血糖的實(shí)時(shí)調(diào)控）的研究成果在線發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《科學(xué)》（Science）。

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觸發(fā)電信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)控血糖水平

我們都知道，檢測(cè)、調(diào)控血糖水平，對(duì)于控制糖尿病病情來說直接有效。

上文已經(jīng)提到，目前兩種常規(guī)的血糖檢測(cè)方式就是靜脈抽血檢驗(yàn)和血糖儀快速檢測(cè)。雖然抽血得到的結(jié)果準(zhǔn)確，但通常需要空腹 8-12 小時(shí)，檢測(cè)結(jié)果也得再等 2 小時(shí)；要是用血糖儀的話，患者在家就能快速獲取結(jié)果，但準(zhǔn)確性較差。

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【圖片來源：CBS News 所有者：CBS News 】

基于此，之前不少研究人員的思路是，在患者體內(nèi)放置一個(gè)植入物自動(dòng)監(jiān)測(cè)血糖水平，必要時(shí)還會(huì)發(fā)出警報(bào)。

雷鋒網(wǎng)從蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院官網(wǎng)了解到，該團(tuán)隊(duì)擅長(zhǎng)于開發(fā)可對(duì)人體特定生理狀態(tài)（如血脂過高、血糖過低）產(chǎn)生反應(yīng)的植入物。

其中，Martin Fussenegger 教授的主要研究方向是哺乳動(dòng)物細(xì)胞工程，特別是處理復(fù)雜控制和閉環(huán)表達(dá)邏輯的合成基因電路的組裝和連接宿主代謝糾正主要代謝紊亂的麻醉設(shè)計(jì)細(xì)胞植入物的生產(chǎn)。

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因此他們自然也將關(guān)注點(diǎn)放在了植入物上。

一般來說，植入物可經(jīng)生化刺激產(chǎn)生反應(yīng)，但也會(huì)受到光線等外部因素的影響，因此研究團(tuán)隊(duì)一直以來計(jì)劃利用無線供電電刺激直接控制基因表達(dá)。

具體來講，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)包含胰島素產(chǎn)生細(xì)胞和電子控制單元的裝置，將其植入糖尿病患者體內(nèi)。當(dāng)攝入食物、血糖升高時(shí)，患者可使用 APP 來觸發(fā)電信號(hào)、調(diào)節(jié)血糖水平；患者也可提前設(shè)置好，APP 將會(huì)自動(dòng)觸發(fā)電信號(hào)。

在論文中，研究團(tuán)隊(duì)介紹了植入物的原型：植入物一側(cè)是印刷電路板（PCB），可容納接收器和控制電子設(shè)備，另一側(cè)是一個(gè)包含人體細(xì)胞的膠囊，二者通過微小型電纜得以連接。

下圖是植入物原型的正背面，整體差不多只有一枚 2 法郎硬幣那么大。

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其主要工作原理為：來自體外的無線電信號(hào)激活植入物中的電子設(shè)備，電子設(shè)備將電信號(hào)直接傳輸?shù)郊?xì)胞，刺激鈣、鉀通道，也觸發(fā)了控制胰島素基因的細(xì)胞中的信號(hào)級(jí)聯(lián)放大反應(yīng)。

這里的「信號(hào)級(jí)聯(lián)放大反應(yīng)」是指從細(xì)胞表面受體接收外部信號(hào)到最后作出綜合性應(yīng)答的過程，在這一過程中信號(hào)逐步放大。

接收到信號(hào)之后，細(xì)胞開始按指令辦事——細(xì)胞將胰島素添加到能帶著細(xì)胞貨物穿梭于細(xì)胞器間的囊泡中，囊泡與細(xì)胞膜融合，幾分鐘后便開始釋放快速胰島素，從而使得占胰島細(xì)胞 65-80% 的 β 細(xì)胞對(duì)膜去極化產(chǎn)生反應(yīng)。

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論文介紹，經(jīng)由電子設(shè)備對(duì) β 細(xì)胞的無線電刺激，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)囊泡胰島素釋放的實(shí)時(shí)控制，胰島素水平 10 分鐘內(nèi)就能到達(dá)峰值。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)患有 1 型糖尿病的小鼠進(jìn)行了皮下植入，結(jié)果表明電信號(hào)觸發(fā)的囊泡釋放系統(tǒng)可快速恢復(fù)到小鼠的正常血糖水平。