Science:利用電流控制胰島素釋放,從而實時控制糖尿病小鼠的血糖水平

2020-12-23 生物谷

2020年6月4日訊/

生物谷

BIOON/---在

糖尿病

患者的體內植入一種含有胰島素產生細胞（即產生胰島素的細胞）和電子控制單元的裝置。一旦患者吃了東西，血糖就會升高，他們就可以使用智慧型手機上的應用程式觸發電信號，或者他們可以預先配置應用程式，如果提前吃了食物，那麼這種應用成就會自動觸發電信號。過了一會兒，這些細胞就會釋放出必要數量的胰島素來調節患者的血糖水平。

這可能聽起來像是科幻小說，但很快就可能成為現實。如今，在一項新的研究中，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院、巴塞爾大學、中國華東師範大學和西湖大學等研究機構的研究人員介紹了他們開發的這種植入物的原型。他們的研究是首次研究如何利用電信號直接激活和調節基因表達的。當在小鼠身上測試他們的方法時，他們證實它非常有效。相關研究結果發表在2020年5月29日的Science期刊上，論文標題為「Electrogenetic cellular insulin release for real-time glycemic control in type 1 diabetic mice」。論文通信作者為蘇黎世聯邦理工學院生物系統科學與工程系生物技術和生物工程教授Martin Fussenegger博士。

圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.aau7187。

這些研究人員在開發對血脂水平過高或血糖水平過低等特定的身體生理狀態作出反應的基因網絡和植入物方面有著豐富的經驗。雖然此類基因網絡會對生化刺激做出反應，但是它們也可以通過替代性的、外來的因素（比如光線）來加以控制。Fussenegger說，「我們想用電直接控制基因表達已經有很長時間了；如今我們終於成功了。」

電路板和細胞容器是關鍵

這些研究人員設計出的植入物由幾個部分組成。它的一側有一塊印刷電路板（PCB），可容納接收器和電子控制單元；另一側是一個裝有人細胞的膠囊。將PCB與這種細胞容器連接在一起的是一根細小的電纜。

來自體外的無線電信號會激活這種植入物中的電子控制單元，然後將電信號直接傳輸給這種植入物中的人細胞。這些電信號刺激鈣和鉀通道的特殊組合；反過來，這又會觸發細胞內控制胰島素基因的信號級聯反應。隨後，所產生的胰島素被裝入到囊泡中，這些電信號導致這些囊泡與細胞膜融合，從而在幾分鐘內將胰島素釋放到細胞外。

身體網際網路（Internet of the Body）即將到來

Fussenegger看到了這一最新進展的幾個優勢。他解釋道，「我們開發出的植入物可能能夠連接到網絡世界。」醫生或患者可能使用一款應用程式直接幹預並觸發胰島素分泌，一旦植入物傳輸了必要的生理數據，他們也可能通過網際網路進行遠程操作。Fussenegger說，「這類設備將使得人們完全融入數字世界，成為物聯網甚至是身體網際網路的一部分。」

當談及黑客攻擊的潛在風險時，他採取了一個冷靜的觀點：「人們已經佩戴理論上很容易受到網絡攻擊的起搏器，但這些設備有足夠的保護措施。這也是我們必須在植入物中加入的東西。」

就目前的情況來看，他認為最大的挑戰是在基因方面。為了確保不對細胞和基因造成損害，他和他的研究團隊還需要進一步研究可以使用的最大電流。他們還必須優化電子控制元件和這些細胞之間的連接。

最後一個需要克服的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所使用的細胞，而這一工作大約每隔三周就必須進行一次。為了進行實驗，Fussenegger和他的研究團隊將兩個加注頸口（filler neck）連接到他們的原型上，以便更換細胞；他們希望找到一個更實用的解決方案。

不過，在他們的系統可以在人類身上使用之前，還必須開展一系列的臨床測試。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：1.Krzysztof Krawczyk et al. Electrogenetic cellular insulin release for real-time glycemic control in type 1 diabetic mice. Science, 2020, doi:10.1126/science.aau7187.

2.Matthew I. Brier et al. Remote activation of cellular signaling. Science, 2020, doi:10.1126/science.abb9122.

3.Using electrical stimulus to regulate genes
https://medicalxpress.com/news/2020-05-electrical-stimulus-genes.html

相關焦點

  • 「人體網際網路」登上 Science!電刺激控制基因表達,APP 一鍵釋放...
    由蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zürich）生物系統科學與工程系教授 Martin Fussenegger 帶領的科研團隊利用電流直接控制基因表達，成功地在患有 1 型糖尿病的小鼠身上進行了實驗，這一腦洞也為使用體外電子設備調控醫用植入物提供了基礎。
  • 浙大顧臻團隊研製血糖響應智能胰島素/胰高血糖素複合貼片
    與胰島素降糖的作用相反，胰高血糖素能促進糖原分解進而升高血糖。目前糖尿病治療旨在通過體外補給胰島素和實時監測血糖變化來輔助患者控制血糖水平。然而在治療過程中往往因為胰島素使用過量會誘發急性低血糖的症狀，並伴隨致命風險，需要及時供給胰高血糖素來緩解，這就對基於胰島素的糖尿病治療的安全性帶來了極大挑戰。
  • 讓糖尿病血糖控制變更安全:科學家研製出能自我調節的胰島素
    據外媒報導，一組來自歐洲的科學家進行了一項概念驗證研究，其證明了一種新型胰島素分子具備感知血糖水平並根據患者的需要自行調整其活動的能力。截止到目前，這種實驗分子只在動物身上進行過試驗，但研究人員希望，進一步的開發將能在未來為糖尿病患者提供更安全、更容易展開的胰島素治療。資料圖對於大多數糖尿病患者來說，保持健康的血糖水平就如同在走鋼絲的過程中讓自己保持平衡一樣。胰島素注射可以幫助降低高血糖，但過多的胰島素或在錯誤的時間劑量可能是危險的。
  • 糖尿病朋友請注意:你知道管理血糖的胰島素是哪裡分泌的嗎?
    對於糖尿病朋友來說，這可能是一件非常痛苦的事：自打患上糖尿病之後，很多好吃的東西都沒辦法再品嘗。日漸消瘦的體態，也逐漸消磨著僅有的自信。雖然目前還沒有太多的好辦法攻克糖尿病，但大家對糖尿病的發病原因是基本了解的。其中，罪魁禍首就是胰島素分泌的問題。因此，打胰島素成了絕大多數糖友的控制血糖的辦法。
  • 糖尿病的未來福音,血糖的遠程調控?
    ，將血糖保持在健康水平是一項艱巨的任務，這需要定期監測和注射胰島素，基於此，科學家正在尋求更方便的方法來控制病情。近日，愛荷華大學的研究人員就開發了一種安全的新方法來無創地管理血糖，而這種方法堪稱新奇，是一種通過使用電磁場來降低血糖水平並改善身體對胰島素的反應的方法。
  • 幹細胞療法終結胰島素注射時代,讓糖尿病治癒成為可能!
    認識糖尿病及其危害 糖尿病（diabetes mellitus，DM）是一組因胰島素絕對或相對分泌不足和（或）胰島素利用障礙引起的碳水化合物、蛋白質、脂肪代謝紊亂性疾病，以高血糖為主要標誌。
  • ...出SMOC1是一種葡萄糖反應性肝臟因子,有望作為控制血糖的藥物靶標
    為了確定更細化的分類，來自瑞典隆德大學糖尿病中心和芬蘭分子醫學研究所的研究人員之前分析了14775名患者的醫療記錄和血液，並研究了各種與糖尿病相關的指標，如長期血糖控制、胰島素抵抗性和糖化血紅蛋白，以及這種疾病的遺傳相關性。他們的研究揭示出5類具有不同遺傳特徵、併發症和疾病進展率的糖尿病患者群體。
  • 高血糖=高胰島素=減肥難！如何控制，穩定好自己的血糖水平？
    血糖與肥胖的關係有著不解之緣，隨著生活水平的提高，肥胖率也是隨之增長的，吃的更好，吃的更精細，尤其是更精細的碳水（主食，糖等）。血糖升高導致肥胖就像是時代發展必然的產物一樣，當你吃太多精細碳水食物的時候，體內血糖就會升高，身體就會分泌更多胰島素來調節血糖，促進血糖轉化為脂肪和糖原。
  • 胰島素指數vs血糖指數|什麼是胰島素指數?胰島素和血糖的關係
    Jason Fung曾經說過一句大實話：「我可以讓任何人變胖，只需要給他注射胰島素，就能讓他快速變胖。」過高的胰島素水平會加劇肥胖、提高糖尿病、心臟病、癌症和許多其他慢性病的風險。所以，控制胰島素的正常分泌至關重要，今天這篇文章，我們來和大家聊一個全新的概念，胰島素指數。
  • 糖尿病如何運動才能控制血糖?快走好還是慢跑好?醫生詳細告訴您
    進行有氧運動對血糖的影響進行有氧運動時，身體會增加對葡萄糖的利用程度，進而改善胰島素抵抗，讓血糖下降。進行肌力運動對血糖的影響身體的肌肉有助於穩定血糖，一般而言，胰島素會將身體攝取到的葡萄糖提供給細胞當作能量，而多餘的葡萄糖則會儲存在肌肉細胞中，當身體有需要時才會釋放到血液中。所以當肌肉量不足時血糖容易波動。
  • 這種「其貌不揚」的豌豆,可以成為控制血糖的「超級食物」
    近日，發表在《Nature Food》上的一項研究中，由英國帝國理工學院領導的研究團隊表明，直接食用這種自然產生褶皺的豌豆或以麵粉形式加入到食物中，有助於控制血糖水平，從而降低患病風險。這種所謂的「超級豌豆」將有助於應對全球2型糖尿病的流行。
  • 剛查出糖尿病還能逆轉嗎?做好這3點,血糖控制穩穩的
    有部分糖尿病患者確實沒有服用降糖藥物，而且血糖維持的也比較好，主要是因為他們採取了生活飲食的幹預方法，控制住了血糖。日常飲食還應該注意控制肉類和油脂食物的攝入，預防攝入太多的熱量進而導致脂肪堆積在體內，引起血糖的持續升高。而且每餐多攝入一些膳食纖維豐富的食物，當覺得有飽腹感的時候就停止再吃。每頓都吃得太飽或者暴飲暴食，都會反覆刺激胰島素分泌，加重糖尿病的並且。每天可以少吃多餐這樣的方式。
  • 控制血糖最有效方法,做好這些血糖穩穩的!
    高血糖是糖尿病的前兆，所以高血糖甚至糖尿病患者要學會平穩血糖才能有利於健康。 那麼如何控制血糖最有效呢？國醫大師健康告訴您控制血糖最有效的18個方法，堅持這些細節就能讓血糖恢復到正常水平！
  • 如何降低胰島素水平?不同食物對胰島素的影響
    其實，胰島素作為一個信號激素，它能力超群，胰島素抵抗，幾乎是所有代謝問題的根源。能把胰島素水平控制好，就能預防或改善大多數的代謝問題。我們都知道，高糖飲食，會刺激血糖和胰島素，但是，可以刺激胰島素分泌的食物，可不只是高碳水食物。
  • 糖尿病患者須知:打1個單位的胰島素,可以降多少血糖?
    正因為這兩個特點，中國的糖尿病患者在被確診的時候，血糖水平一般都非常高，需要接受所謂的「胰島素強化」治療。很多患者不理解，為什麼自己剛得糖尿病，就需要注射胰島素呢？在很多國人的心目中，需要「打針」的病一定比那些只需「吃藥」的病重。這種觀念，放在糖尿病治療上，就難免有失偏頗了。
  • 胰島素抵抗與糖尿病、脂肪肝等疾病的關係
    胰島素是胰腺細胞分泌的一種激素。這些細胞分散在胰島上，產生的胰島素被釋放到血液中並分散到全身各處。胰島素是一種重要的激素，它在體內有很多作用。大多數胰島素的作用都是針對碳水化合物(糖和澱粉)、脂類(脂肪)和蛋白質的代謝(控制)。胰島素還能調節身體細胞的功能，包括細胞的生長。胰島素對於身體使用葡萄糖作為能量至關重要。胰島素抵抗(IR)是人體細胞抵抗胰島素的一種條件。也就是說人體需要的胰島素的正常量減少了。因此，需要更多的胰島素來達到人體所需胰島素正常水平，而胰腺會嘗試分泌更多的胰島素來彌補。
  • 血糖「長安」十二時辰:長效甘精胰島素的故事
    它在不改變胰島素化學結構的情況下，通過添加劑改變微觀晶體結構，實現了皮下注射之後胰島素的緩慢釋放，增強和延長了血糖控制，提高了糖尿病（包括I型和II型糖尿病）患者的疾病控制和生活質量。長效胰島素（long-acting insulin），則是通過對胰島素本身化學結構的修飾，來實現「有效」胰島素的緩慢釋放，從而模擬人體內「基礎胰島素（basal insulin）」的活動模式，實現了一天一次皮下注射的給藥方式，進一步提高了糖尿病（包括I型和II型糖尿病）患者的疾病控制和生活質量。
  • 糖尿病治療新進展:雙肽PGLP-1有效增強胰島素敏感性!
    根據「FASEB雜誌」在線發表的研究，科學家們發現了一種稱為「PGLP-1」的雙肽，其促進胰島素分泌並抑制糖異生（產生葡萄糖的代謝過程）。稱為GLP-1的相關化合物目前用於糖尿病治療。新發現的這種新化合物顯示了改善1型糖尿病患者血糖控制和改善2型糖尿病患者胰島素抵抗的潛力。「今後，我希望，在1型糖尿病患者中，這種肽可以保護胰島，降低空腹血糖，從而延緩糖尿病進程，維持血糖穩定。」梁金博士說道，他參與了江蘇省生物科學與技術學院、中國藥科大學生命科學與技術學院藥物篩選實驗室天津藥物國家重點實驗室的研究工作。
  • 食物胰島素,糖尿病「對頭」,堅持吃點,降血糖,甩掉「小糖人」
    隨著生活水平的提高，人們在日常飲食方面越來越豐盛，但往往由於日常飲食的不規律，作息的不規律，從而導致身體健康，擔負著巨大的風險。 近幾年來，患上糖尿病的人群也是越來越多，這是常見的一種代謝性疾病，而且逐漸趨於年輕化，出現這種現象，與日常飲食有著密不可分的聯繫。
  • 胰島素「激活劑」被找到,並非苦瓜,泡水喝點,血糖或慢慢降下去
    糖尿病作為常見的一種代謝性疾病，如果血糖升高，不加以調控的話，就會導致併發症的產生，嚴重影響個人的健康。而近些年來，患者糖尿病的人群也是越來越多，這與日常飲食和作息不規律有著密不可分的聯繫，所以在平時，也要做出適當的調控，學會控制血糖。