作者丨秦志偉
為了提高糖尿病治療的便捷性、有效性以及患者的接受度，科學家不斷尋找新的治療模式。
從早期注射胰島素、服用藥物等傳統治療方法到近期開發的各種細胞治療方案，科技的不斷發展為糖尿病患者帶來了希望。
2020年5月29日，《科學》雜誌在線發表了瑞士蘇黎世聯邦理工大學團隊聯合華東師範大學、西湖大學等單位的研究成果。
研究團隊利用定製的生物電子設備可實時調控胰島細胞的蛋白分泌系統，首次使用電信號直接來遠程調控哺乳動物細胞的基因表達。
「將細胞基因表達的調控從光遺傳學真正地推向電遺傳學，這是一個重大突破。」論文參與者、瑞士蘇黎世聯邦理工大學教授Martin Fussenegger團隊的前課題組組長、西湖大學生命科學學院研究員解明岐告訴《中國科學報》。
取代對注射的依賴
糖尿病是威脅人類健康的慢性病之一，其主要特徵表現為高血糖，並伴隨繼多種併發症的產生。
糖尿病患者需要根據自己血糖的高低水平定時定量的注射胰島素，但每天多次的注射大大影響著患者的生活質量。
所以，如果能讓植入患者體內的細胞在特定刺激條件下精準地分泌一定劑量的胰島素，就可以有效地取代患者對注射的依賴性。
然而，胰島素是一種比較「害羞」的物質。
「正常生理情況下，胰島β-細胞表達出胰島素並不直接分泌於外界，而是隱藏在胞質內。只要當受到外界刺激時，如血液中血糖升高時，胰島素才會釋放。」論文參與者、華東師範大學生命科學學院教授葉海峰向《中國科學報》介紹，葡萄糖被葡萄糖轉運蛋白運送至胞內時會導致細胞內ATP/ADP的濃度升高，引起細胞膜電位的變化，從而導致鈣離子內流，鈣離子內流進一步導致胰島素釋放。
研究人員根據這一特點，利用對葡萄糖反應缺陷的胰島β細胞，利用電來控制其膜電位變化，從而控制鈣離子的內流，達到人為的調控胰島素釋放的效果。
解明岐介紹，首先通過設計一個符合細胞生長條件的電子設備，創建出一個特定頻率的「微電廠」。
然後，通過強表達各種電壓門控離子通道精準調控胰島β細胞的激活閾和鈣離子的流入，使分泌系統響應外源的電誘導信號。
電子移植裝備
不再需要「變壓器」
在該研究之前，從時空上控制細胞活動並用於疾病治療的最新方法和思路是光遺傳學裝置。
科學家相繼開發了藍光、紅光、紫外光和近紅外光誘導的光遺傳學裝置，包括跨膜感光受體視黑素系統、LOV系統、CRY2/CIBN系統等，應用於基因編輯、內源激活、控制細胞器活動等領域。
但「光調控系統需要將電信號轉化為對應的光、磁或超聲，這種能量轉化可能需要較多的能量，可能會給細胞製造一定的負擔，同時限制電子設備在體內的使用時間」。解明岐說。
他向《中國科學報》進一步解釋道，光、磁、超聲波等調控系統就像一個變壓器，電信號需要到那裡經過轉化才能有效跟細胞「溝通」。「電調控系統可以直接利用原始的電信號來控制細胞的基因表達或胰島素釋放，這就避免了電向其它能源的轉化，從而保證未來調控裝置具有較長的使用壽命。」
此外，光調控系統中光產熱可能會導致機體發熱，使其處於非生理溫度，從而導致病理狀態的產生。而本文的電調控系統並不會產生上述問題。
電調控系統能夠控制足量胰島素的表達或分泌，較好的維持血糖的穩定，具有很好的臨床應用前景。
設計原理圖
解明岐表示，在未來將含有智能細胞的電誘導系統植入到患者的皮下，便可以通過手機程序遠程調控體內各種藥物蛋白的實時分泌，對糖尿病等多種其它疾病實現最精準的細胞治療方案。
但葉海峰研究員表示「該電子裝備中細胞可存活多久，能否達到長期的治療效果，仍然是細胞治療領域向臨床轉化需要解決的一大問題。」。
相關論文信息：
DOI: 10.1126/science.aau7187