「人體網際網路」登上 Science!電刺激控制基因表達,APP 一鍵釋放...

2020-12-23 雷鋒網

靜脈抽血檢驗、血糖儀快速檢測，常規的血糖監測方法總是準確度、便捷性難兩全。

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

實際上，這個腦洞科學家已經在幫我們著手實現了。

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。

當地時間 2020 年 5 月 29 日，該團隊題為 Electrogenetic cellular insulin release for real-time glycemic control in type 1 diabetic mice（電化學細胞胰島素釋放對 1 型糖尿病小鼠血糖的實時調控）的研究成果在線發表於國際權威期刊《科學》（Science）。

觸發電信號實時調控血糖水平

我們都知道，檢測、調控血糖水平，對於控制糖尿病病情來說直接有效。

上文已經提到，目前兩種常規的血糖檢測方式就是靜脈抽血檢驗和血糖儀快速檢測。雖然抽血得到的結果準確，但通常需要空腹 8-12 小時，檢測結果也得再等 2 小時；要是用血糖儀的話，患者在家就能快速獲取結果，但準確性較差。

【 圖片來源：CBS News所有者：CBS News 】

基於此，之前不少研究人員的思路是，在患者體內放置一個植入物自動監測血糖水平，必要時還會發出警報。

雷鋒網從蘇黎世聯邦理工學院官網了解到，該團隊擅長於開發可對人體特定生理狀態（如血脂過高、血糖過低）產生反應的植入物。

其中，Martin Fussenegger 教授的主要研究方向是哺乳動物細胞工程，特別是處理複雜控制和閉環表達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計細胞植入物的生產。

因此他們自然也將關注點放在了植入物上。

一般來說，植入物可經生化刺激產生反應，但也會受到光線等外部因素的影響，因此研究團隊一直以來計劃利用無線供電電刺激直接控制基因表達。

具體來講，該團隊設計了一個包含胰島素產生細胞和電子控制單元的裝置，將其植入糖尿病患者體內。當攝入食物、血糖升高時，患者可使用 APP 來觸發電信號、調節血糖水平；患者也可提前設置好，APP 將會自動觸發電信號。

在論文中，研究團隊介紹了植入物的原型：植入物一側是印刷電路板（PCB），可容納接收器和控制電子設備，另一側是一個包含人體細胞的膠囊，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 法郎硬幣那麼大。

其主要工作原理為：來自體外的無線電信號激活植入物中的電子設備，電子設備將電信號直接傳輸到細胞，刺激鈣、鉀通道，也觸發了控制胰島素基因的細胞中的信號級聯放大反應。

這裡的「信號級聯放大反應」是指從細胞表面受體接收外部信號到最後作出綜合性應答的過程，在這一過程中信號逐步放大。

接收到信號之後，細胞開始按指令辦事——細胞將胰島素添加到能帶著細胞貨物穿梭於細胞器間的囊泡中，囊泡與細胞膜融合，幾分鐘後便開始釋放快速胰島素，從而使得佔胰島細胞 65-80% 的 β 細胞對膜去極化產生反應。

論文介紹，經由電子設備對 β 細胞的無線電刺激，研究團隊成功實現了對囊泡胰島素釋放的實時控制，胰島素水平 10 分鐘內就能到達峰值。研究團隊對患有 1 型糖尿病的小鼠進行了皮下植入，結果表明電信號觸發的囊泡釋放系統可快速恢復到小鼠的正常血糖水平。

停留在動物實驗階段的人體網際網路

就這一方案，Martin Fussenegger 教授介紹了其優勢：

我們的植入物可以連網，醫生或患者既可使用 APP 自行幹預、觸發胰島素產生，APP 也能直接幹預。這種設備使人們能夠完全融入數字世界，成為物聯網甚至人體網際網路的一部分。

不過，這一方案還停留在動物實驗階段，仍存在一些潛在的問題：

第一，為了確保不對患者的細胞和基因造成損害，研究團隊還需要進一步對最大電流進行研究，另外電子設備和電池之間的連接也需要優化。

第二是安全問題。Martin Fussenegger 教授表示：

理論上心臟起搏器容易遭受黑客攻擊，但仍有患者植入心臟起搏器，原因在於其強大的保護功能。這也是我們需要增加的部分。

第三，研究團隊需要找到一種更便捷的方法來替換植入物中使用的細胞，因為替換細胞的工作基本上每三周就要做一次。

據了解，在實驗中，團隊在植入物原型上安裝了兩個填充管用以替代細胞，但團隊希望能有一個更實用的解決方案。

當然，解決完上述問題，要真正實現手機 APP 測血糖、一鍵注射胰島素的腦洞，還有關鍵且必要的一步——臨床試驗。

引用來源：

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

雷鋒網雷鋒網

相關焦點

  • 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
    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。
  • 科學家揭示性別差異對不同人體組織基因表達的影響
    科學家揭示性別差異對不同人體組織基因表達的影響 作者：小柯機器人 發布時間：2020/9/12 15:23:00 美國芝加哥大學Barbara E.
  • 研究揭示不同人體組織中基因表達的細胞類型特異性遺傳調控
    研究揭示不同人體組織中基因表達的細胞類型特異性遺傳調控 作者：小柯機器人 發布時間：2020/9/14 13:42:31 美國哥倫比亞大學Tuuli Lappalainen、Sarah Kim-Hellmuth等研究人員合作揭示不同人體組織中基因表達的細胞類型特異性遺傳調控
  • 基因編輯可光控!華東師大團隊歷時 5 年:解決「脫靶」、抑制腫瘤
    如果說要實現上述所有結果只能用一項黑科技，這項技術必然是「基因編輯」——對目標基因進行定點「編輯」的新興基因工程技術。有了工具是好事，重要的是如何運用，最好是能實現精準的智能控制。具體來講，FAST 系統依賴於兩個具有高親和力結合結構域的分裂-Cas9 融合蛋白，也就是說研究團隊將蛋白一分為二了——其一是組成型表達的，其二則處於該團隊建立的細菌光敏二鳥苷酸環化酶 Bphs 光學可控系統的遠紅光誘導型控制下。
  • 新冠研究中國登上Science封面首次揭示新冠病毒人體蛋白受體結構
    【新智元導讀】日前，西湖大學周強實驗室的一項關於新冠病毒的研究登上了最新一期Science封面，該研究利用冷凍電鏡技術成功解析了此次新冠病毒的受體——ACE2的全長結構，屬全球首次。該成果最終將對研發精準的新冠肺炎診斷、治療手段起到關鍵作用。「新智元急聘主筆、高級主任編輯，添加HR微信（Dr-wly）或掃描文末二維碼了解詳情。」
  • 哺乳動物有「一鍵返老還童」按鈕,復旦校友的這項研究恢復了老年...
    想要實現「返老還童」，就需要先了解我們是如何衰老的。我們如何「慢慢變老」？衰老，從細胞層面來講，就是一個組織出現功能障礙，再生能力退化的過程。在此前的研究當中，造成生物衰老的其中一個原因是，表觀基因組隨著時間變化，擾亂了基因表達模式，導致組織功能和再生能力下降。
  • 作為最懂咖啡的「網際網路公司」,星巴克在微信開店了
    微信授權即可自動填入用戶暱稱，手機號碼也可以一鍵調用，都不需要自己進行手動填寫。而在付款時，點擊「星巴克」小程序中間的二維碼按鈕就能顯示會員碼完成積分，再點擊下方「使用微信支付」付款則能一鍵跳轉付款頁面，簡單快捷。和三年前的「用星說」相比，這次的店可以稱得上「大而全」。一家開在微信裡的店鋪「咖啡店」，收納了全國 4400 多家線下門店，可以直接線上付款。
  • 國家衛健委發布關於進一步推進「網際網路 + 護理服務」試點工作的通知
    原明確的試點省份按要求繼續開展試點，其他省份原則上至少確定 1 個城市開展「網際網路+護理服務」試點工作。第二部分，規範開展試點工作。衛生健康行政部門和醫療機構要按照《「網際網路+護理服務」試點工作方案》的有關要求，規範開展試點工作。第三部分，增加護理服務供給。
  • AlphaZero登上Science封面:從小白開始制霸多個遊戲
    近日，AlphaGo 的「完全自我博弈加強版」AlphaZero 的論文又登上另一大頂級期刊 Science 的封面。在論文中，AlphaZero 不僅徵服了圍棋，也在將棋、西洋棋等複雜遊戲中實現了超越人類的表現。此前不久，DeepMind 還推出了 AlphaFold，成功地根據基因序列預測出蛋白質的 3D 形狀，將人工智慧技術應用在了科學研究領域。
  • 一鍵下單!「Booksy」解鎖美業新姿勢 | 每日新物種
    但現狀是，如果你想預約明天上午10點國貿CBD附近的化妝造型，除了在美團點評定位搜索附近門店，然後挨個電聯諮詢之外，似乎並沒有更便捷的方式。今天每日君要介紹的美業預訂平臺「Booksy」，正在通過技術手段解決這一痛點。
  • 2020年1月24日Science期刊精華,我國科學家同期發表三篇Science論文
    RNA疫苗讓claudin-CAR-T細胞更有效地抵抗實體瘤doi:10.1126/science.aay5967利用經過基因改造後表達嵌合抗原受體（CAR）的T細胞（CAR-T）進行過繼性T細胞治療已在B細胞惡性腫瘤中取得了臨床成功。然而，在實體瘤患者中，CAR-T細胞療法遭遇挑戰，並不那麼有效。
  • 基因表達、男女有別:Science、Cell等發布15篇人類遺傳最新成果
    但是他們很快就陷入了僵局，部分原因在於當時的研究忽視了對控制基因在體內表達位置和方式的「開關系統」。例如，正是這種基因調控系統使心臟細胞有別於腦細胞，使腫瘤有別於健康組織。如今，通過將人類2萬個編碼蛋白質基因的活性水平與數百萬條調控DNA序列的變異相關聯，一項長達10年的大規模研究已經開始填補這一空白。
  • Science:新型高解析度植入物使得通過大腦電刺激恢復視力成為可能
    通過植入物刺激大腦產生人工視覺感知的想法並不新鮮，可以追溯到上世紀70年代。然而，現有的系統每次只能生成少量的人工「像素」。如今，在荷蘭神經科學研究所，由Pieter Roelfsema領導的研究團隊正在使用新的植入物生產和植入技術、尖端材料工程、微晶片製造和微電子技術來開發比以前的植入物更加穩定和耐用的設備。初步的研究成果是非常有前景的。
  • Nature最新封面:一鍵返老還童!復旦校友恢復了老年小鼠視力
    這就是最新登上Nature封面的研究：來自哈佛、耶魯大學的研究人員，通過細胞「重新編程」技術，成功恢復了老年老鼠的視力。此舉首次證明了可以安全地將複雜組織（視覺神經組織）「返老還童」。在此前的研究當中，造成生物衰老的其中一個原因是，表觀基因組隨著時間變化，擾亂了基因表達模式，導致組織功能和再生能力下降。這也就構成了此次研究的一個基本假設。我們知道「細胞分化」，緣於基因的特異性表達。而這當中的調節功能，就屬於表觀基因組的範疇了。
  • van花筒 | 球鞋「後門」無保障?nice「一鍵代賣」幫你穩賺不賠!(文末送驚喜福利)
    為了保障交易雙方的利益，除了「擔保預售」，nice app還推出了「一鍵代賣」服務：更多時候，「一鍵代賣」服務能讓大家「只賺不賠」。也就是說，對於守約買家來說，「一鍵代賣」絕對是一項利好服務。當時就有不少用戶搶到了名額，並使用了「一鍵代賣」服務。而「一鍵代賣」的特點也很明顯：利潤率相對高、到貨、出貨周期相對短以及幾乎無門檻的副業生意。
  • 帕金森病人「電一電」沒問題 能控制動作的同時也不會增加痴呆風險
    帕金森病人「電一電」沒問題 能控制動作的同時也不會增加痴呆風險  黃琨 • 2020-07-06 09:30:42　來源：前瞻網　E2000G0
  • iPhone「最強功能」廣受好評,但許多 App 還「配不上」它
    這個逼近 300 萬的播放量的視頻可以說是成功「出圈」了。而它所提到的產品視覺無障礙功能體驗也被更多人所了解。事實上，在iPhone 的輔助功能外，還有更多的產品需要花足夠多的心思才能讓用戶走上這條網際網路的「盲道」。今天，我們就要和你一起體驗一番手機系統、應用、小程序中的無障礙體驗。
  • 醫療健康行業周報 | 「金匙醫學」獲2.3億元A輪融資;「網際網路+醫療...
    據悉，「金匙醫學」已於近日完成2.3億元C輪融資。本輪融資投資方為華蓋資本、杏澤資本和元生創投，A輪投資方君聯資本第三次追加投資，華興資本擔任本次交易獨家財務顧問。「金匙醫學」全稱北京金匙基因科技有限公司，成立於2017年8月，是一家基因檢測醫學診斷服務商。
  • AirPods Max「傷錢包」,這對耳機卻能「治病」
    神經系統和免疫系統曾經被認為是兩個毫不相干的系統，越來越多研究表明，兩者不斷交織影響，大腦既能影響心跳和體溫，也能向免疫系統「傳遞信號」，調節炎症。迷走神經被認為是神經系統和免疫系統連接中的「重要一環」。這對耳塞是神經科技公司 Nēsos 針對免疫系統疾病研發的可穿戴設備。它們向內耳發送電流，通過迷走神經耳支，最終到達大腦中控制炎症的神經傳導通路。
  • 2020年10月2日Science期刊精華
    1.Science：揭示粘附密碼確保胚胎發育過程中的組織和解剖結構正確形成doi:10.1126/science.aba6637在一項新的研究中，來自哈佛醫學院、紐約大學醫學院和奧地利科學技術研究所的研究人員發現了細胞在早期胚胎發育過程中用於自我組裝的一種關鍵控制機制。這些發現闡明了多細胞生命的基本過程，這為改進組織和器官工程策略開闢了新途徑。