Science|電刺信號調控基因表達,用於糖尿病患者治療

2020-10-18 PaperRSS

 一種含有胰島素產生細胞和電子控制單元的裝置被植入糖尿病患者體內。 一旦患者吃了東西,血糖上升,他們可以使用智慧型手機上的應用程式來觸發電信號,或者如果提前輸入了飯菜,他們可以預先配置應用程式自動執行這一操作。 不久之後,細胞就會釋放出所需數量的胰島素,以調節患者的血糖水平

這聽起來可能像科幻小說,但可能很快就會變成現實。 由巴塞爾生物系統科學與工程系生物技術和生物工程教授馬丁·福森格(Martin Fussenegger)領導的一個研究小組,在「科學」(Science)雜誌的一篇新論文中展示了他們的這種植入物的原型。 他們的研究首次研究了基因表達是如何通過電信號直接激活和調節的。 當在老鼠身上測試他們的方法時,研究人員證實它工作得很完美。

巴塞爾的科學家在開發基因網絡和植入物方面擁有豐富的經驗,這些網絡和植入物對人體的特定生理狀態做出反應,例如血脂水平過高或血糖水平過低。 雖然這樣的網絡會對生化刺激做出反應,但它們也可以受到其他外部影響(如光)的控制。 Fussenegger說:「很長一段時間以來,我們一直想用電力直接控制基因表達;現在我們終於成功了。」

電路板和電池容器持有密鑰。

研究人員設計的植入物由幾個部分組成。 一方面,它有一個印刷電路板(PCB),容納接收器和控制電子設備;另一邊是一個裝有人體細胞的膠囊。 將PCB連接到電池容器的是一根微小的電纜。

來自身體外部的無線電信號激活植入物中的電子設備,然後電子設備直接將電信號傳輸到細胞。 電信號刺激鈣和鉀通道的特殊組合,進而在控制胰島素基因的細胞中觸發信號級聯。 隨後,細胞機械將胰島素加載到電信號引起的囊泡中,使其與細胞膜融合,在幾分鐘內釋放胰島素。

即將到來:身體的網際網路。

Fussenegger在這一最新發展中看到了幾個好處。 「我們的植入物可能與網絡世界相連,」他解釋說。 醫生或患者可以使用APP直接幹預並觸發胰島素的產生,一旦植入物傳輸了必要的生理數據,他們也可以通過網際網路遠程進行這一操作。 Fussenegger說:「這種設備將使人們能夠完全融入數字世界,成為物聯網--甚至是身體網際網路的一部分。」

當談到黑客攻擊的潛在風險時,他持冷靜的態度:「人們已經佩戴了理論上容易受到網絡攻擊的起搏器,但這些設備有足夠的保護。這也是我們必須在植入物中加入的東西,」他表示。

就目前情況而言,他認為最大的挑戰是在基因方面。 為了確保不會對細胞和基因造成損害,他和他的團隊需要對可以使用的最大電流進行進一步的研究。 研究人員還必須優化電子設備和電池之間的連接。

要克服的最後一個障礙是找到一種新的、更容易、更方便的方法來更換植入物中使用的細胞,這是大約每三周必須做的事情。 在他們的實驗中,Fussenegger和他的研究團隊將兩個填充頸部連接到他們的原型上,以替換細胞;他們希望找到更實用的解決方案。

然而,在他們的系統可以用於人類之前,它仍然必須通過一系列的臨床測試。

參考文獻

Krawczyk K et al. Electrogenetic cellular insulin release for real-time glycemic control in type 1 diabetic mice. Science, 2020 DOI: 10.1126/science.aau7187

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