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「人体互联网」登上 Science!电刺激控制基因表达,APP 一键释放胰岛素

本文作者:付静 2020-06-02 18:53
导语:植入物让人们成为物联网甚至人体互联网的一部分。

静脉抽血检验、血糖仪快速检测,常规的血糖监测方法总是准确度、便捷性难两全。

如果掏出手机打开 APP 就能查看当前的血糖水平,必要时还能一键注射胰岛素,那就太方便了。

实际上,这个脑洞科学家已经在帮我们着手实现了。

由苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)生物系统科学与工程系教授 Martin Fussenegger 带领的科研团队利用电流直接控制基因表达,成功地在患有 1 型糖尿病的小鼠身上进行了实验,这一脑洞也为使用体外电子设备调控医用植入物提供了基础。

当地时间 2020 年 5 月 29 日,该团队题为 Electrogenetic cellular insulin release for real-time glycemic control in type 1 diabetic mice(电化学细胞胰岛素释放对 1 型糖尿病小鼠血糖的实时调控)的研究成果在线发表于国际权威期刊《科学》(Science)。

「人体互联网」登上 Science!电刺激控制基因表达,APP 一键释放胰岛素

触发电信号实时调控血糖水平

我们都知道,检测、调控血糖水平,对于控制糖尿病病情来说直接有效。

上文已经提到,目前两种常规的血糖检测方式就是静脉抽血检验和血糖仪快速检测。虽然抽血得到的结果准确,但通常需要空腹 8-12 小时,检测结果也得再等 2 小时;要是用血糖仪的话,患者在家就能快速获取结果,但准确性较差。

「人体互联网」登上 Science!电刺激控制基因表达,APP 一键释放胰岛素

【 图片来源:CBS News  所有者:CBS News 】

基于此,之前不少研究人员的思路是,在患者体内放置一个植入物自动监测血糖水平,必要时还会发出警报。

雷锋网(公众号:雷锋网)从苏黎世联邦理工学院官网了解到,该团队擅长于开发可对人体特定生理状态(如血脂过高、血糖过低)产生反应的植入物。

其中,Martin Fussenegger 教授的主要研究方向是哺乳动物细胞工程,特别是处理复杂控制和闭环表达逻辑的合成基因电路的组装和连接宿主代谢纠正主要代谢紊乱的麻醉设计细胞植入物的生产。

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因此他们自然也将关注点放在了植入物上。

一般来说,植入物可经生化刺激产生反应,但也会受到光线等外部因素的影响,因此研究团队一直以来计划利用无线供电电刺激直接控制基因表达

具体来讲,该团队设计了一个包含胰岛素产生细胞和电子控制单元的装置,将其植入糖尿病患者体内。当摄入食物、血糖升高时,患者可使用 APP 来触发电信号、调节血糖水平;患者也可提前设置好,APP 将会自动触发电信号。

在论文中,研究团队介绍了植入物的原型:植入物一侧是印刷电路板(PCB),可容纳接收器和控制电子设备,另一侧是一个包含人体细胞的胶囊,二者通过微小型电缆得以连接。

下图是植入物原型的正背面,整体差不多只有一枚 2 法郎硬币那么大。

「人体互联网」登上 Science!电刺激控制基因表达,APP 一键释放胰岛素

其主要工作原理为:来自体外的无线电信号激活植入物中的电子设备,电子设备将电信号直接传输到细胞,刺激钙、钾通道,也触发了控制胰岛素基因的细胞中的信号级联放大反应。

这里的「信号级联放大反应」是指从细胞表面受体接收外部信号到最后作出综合性应答的过程,在这一过程中信号逐步放大。

接收到信号之后,细胞开始按指令办事——细胞将胰岛素添加到能带着细胞货物穿梭于细胞器间的囊泡中,囊泡与细胞膜融合,几分钟后便开始释放快速胰岛素,从而使得占胰岛细胞 65-80% 的  β 细胞对膜去极化产生反应。

「人体互联网」登上 Science!电刺激控制基因表达,APP 一键释放胰岛素

论文介绍,经由电子设备对 β 细胞的无线电刺激,研究团队成功实现了对囊泡胰岛素释放的实时控制,胰岛素水平 10 分钟内就能到达峰值。研究团队对患有 1 型糖尿病的小鼠进行了皮下植入,结果表明电信号触发的囊泡释放系统可快速恢复到小鼠的正常血糖水平。

停留在动物实验阶段的人体互联网

就这一方案,Martin Fussenegger 教授介绍了其优势:

我们的植入物可以连网,医生或患者既可使用 APP 自行干预、触发胰岛素产生,APP 也能直接干预。这种设备使人们能够完全融入数字世界,成为物联网甚至人体互联网的一部分。

不过,这一方案还停留在动物实验阶段,仍存在一些潜在的问题:

第一,为了确保不对患者的细胞和基因造成损害,研究团队还需要进一步对最大电流进行研究,另外电子设备和电池之间的连接也需要优化。

第二是安全问题。Martin Fussenegger 教授表示:

理论上心脏起搏器容易遭受黑客攻击,但仍有患者植入心脏起搏器,原因在于其强大的保护功能。这也是我们需要增加的部分。

第三,研究团队需要找到一种更便捷的方法来替换植入物中使用的细胞,因为替换细胞的工作基本上每三周就要做一次。

据了解,在实验中,团队在植入物原型上安装了两个填充管用以替代细胞,但团队希望能有一个更实用的解决方案。

当然,解决完上述问题,要真正实现手机 APP 测血糖、一键注射胰岛素的脑洞,还有关键且必要的一步——临床试验。

引用来源:

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/05/using-electrical-stimulus-to-regulate-genes.html

https://bsse.ethz.ch/department/people/detail-person.html?persid=88479

https://science.sciencemag.org/content/368/6494/993

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