智能電子設(shè)備正越來(lái)越多地主導(dǎo)著我們的日常生活，并已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中塑造了一個(gè)個(gè)新的診治機(jī)遇。糖尿病目前仍處于不可治愈狀態(tài)，如何利用科技發(fā)展治愈糖尿病是科學(xué)家們近年來(lái)致力攻破的難題之一。
我們已經(jīng)知道，1型糖尿病和晚期的2型糖尿病患者因體內(nèi)的胰島素絕對(duì)缺乏，必須從外部獲得胰島素來(lái)調(diào)節(jié)血糖水平。與身體連接的胰島素泵可以通過(guò)外源性補(bǔ)充胰島素來(lái)實(shí)現(xiàn)糖尿病的部分治療，但這些設(shè)備的運(yùn)行目前需要依靠一次性電池或可充電電池來(lái)提供能量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電池的自動(dòng)運(yùn)作和持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致便利性和移動(dòng)性欠佳，限制了該類裝置在臨床的有效推廣。
因此，設(shè)計(jì)一種強(qiáng)大的、自給自足的、在生理?xiàng)l件下工作的植入式發(fā)電裝置將對(duì)包括胰島素泵在內(nèi)的許多醫(yī)療應(yīng)用產(chǎn)生變革性的影響。麻省理工學(xué)院和慕尼黑技術(shù)大學(xué)的工程師們向我們展示了最新科技與糖尿病治療的精彩碰撞，于2023年3月9日在《Advanced Materials》（IF=32.0861）雜志上在線發(fā)表一篇題為“Blood-Glucose-Powered Metabolic Fuel Cell for Self-Sufficient Bioelectronics”的研究[1]，設(shè)計(jì)出了一種新型的葡萄糖動(dòng)力電池，可以將患者體內(nèi)的葡萄糖直接轉(zhuǎn)化為電能！
在這里，Martin Fussenegger 牽頭的研究人員利用一種新的含銅導(dǎo)電調(diào)諧三維碳納米管復(fù)合材料，設(shè)計(jì)了一種可以持續(xù)監(jiān)測(cè)血糖水平的血糖驅(qū)動(dòng)代謝燃料電池，在高血糖期間將過(guò)量的葡萄糖轉(zhuǎn)化為電能，并產(chǎn)生足夠的能量(0.7 mW cm?2,0.9 V, 50 mM 葡萄糖)來(lái)驅(qū)動(dòng)光電遺傳，調(diào)控β細(xì)胞的胰島素釋放。他們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)結(jié)合電代謝轉(zhuǎn)換和胰島素釋放介導(dǎo)的細(xì)胞消耗，血糖監(jiān)測(cè)與消除過(guò)高血糖集成的代謝燃料電池能夠在1型糖尿病的小鼠實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谢謴?fù)血糖穩(wěn)態(tài)（圖1）。
圖1.非酶代謝燃料電池閉環(huán)控制血糖穩(wěn)態(tài)的示意圖
這已經(jīng)不是Fussenegger研究團(tuán)隊(duì)第一次將科技與糖尿病相結(jié)合的偉大嘗試，早在2016年，該團(tuán)隊(duì)就利用一種簡(jiǎn)單明了的工程學(xué)方法制造出人工胰島β細(xì)胞，并將以上研究成果發(fā)表于《Science》雜志上[2]。在這項(xiàng)研究中，他們使用了一種基于人腎細(xì)胞的HEK細(xì)胞膜中天然的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和鉀離子通道，利用電壓依賴性鈣離子通道、產(chǎn)生胰島素或GLP-1的基因提高它們的功能。當(dāng)血糖水平超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，鉀離子通道關(guān)閉。這會(huì)顛倒細(xì)胞膜上的電壓分布，導(dǎo)致鈣離子通道打開(kāi)。隨著鈣離子流進(jìn)，它觸發(fā)HEK細(xì)胞內(nèi)在的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)事件，導(dǎo)致胰島素或GLP-1的產(chǎn)生和分泌（圖2）。這些帶有高科技色彩的人工β細(xì)胞能夠完成天然的β細(xì)胞做的任何事情：包括測(cè)量血液中的葡萄糖濃度以及產(chǎn)生足夠的胰島素來(lái)有效地調(diào)控血糖水平。
圖2. HEK-293細(xì)胞葡萄糖傳感圖
令人興奮的是，在2020年5月29日的Science期刊上再次發(fā)表了Fussenegger團(tuán)隊(duì)關(guān)于該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展[3]。該研究團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)方法工程化改造人胰島β細(xì)胞，首次使用定制的生物微電子設(shè)備在1型糖尿病小鼠體內(nèi)對(duì)人工β細(xì)胞進(jìn)行無(wú)線電刺激，實(shí)現(xiàn)了對(duì)胰島素合成和釋放的精準(zhǔn)調(diào)控（圖3）。該研究所展示的電遺傳學(xué)調(diào)控工具，是繼光、磁、無(wú)線電波、超聲等基因調(diào)控系統(tǒng)之后，又一項(xiàng)極具應(yīng)用前景的遠(yuǎn)程調(diào)控細(xì)胞功能的工具。這也是生命科學(xué)界首次實(shí)現(xiàn)直接以電信號(hào)為媒介遠(yuǎn)程精準(zhǔn)調(diào)控哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因表達(dá)和胰島素釋放的功能。
圖3. 如硬幣般大小的生物微電子設(shè)備植入小鼠體內(nèi)
讓我們?cè)俅位氐?023年這篇文章[1]，該團(tuán)隊(duì)人員基于以上研究成果繼往開(kāi)來(lái)的開(kāi)發(fā)了結(jié)合兩種技術(shù)的最新裝置（能在電壓控制下釋放胰島素的人工胰島β細(xì)胞+血糖驅(qū)動(dòng)代謝燃料電池），該裝置在血糖過(guò)高時(shí)會(huì)激活燃料電池，分解葡萄糖產(chǎn)生電力，刺激人工胰島β細(xì)胞釋放胰島素以降低血糖。血糖回到正常水平后，燃料電池停止運(yùn)作，胰島素釋放中止（圖4）。并在1型糖尿病小鼠進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該裝置不僅實(shí)現(xiàn)了血糖的有效控制，而且燃料電池表現(xiàn)出良好的耐久性。實(shí)現(xiàn)了以自動(dòng)、自給自足和閉環(huán)的高科技方式，為糖尿病的治愈提供可能。
圖4. 代謝燃料電池光遺傳刺激人胰島β細(xì)胞釋放囊泡胰島素
“路漫漫其修遠(yuǎn)兮”，雖然該領(lǐng)域在這幾年內(nèi)陸續(xù)出了可喜的研究成果，但目前此類裝置還處于動(dòng)物研究的層面上，研究人員表示未來(lái)要應(yīng)用于臨床實(shí)踐并實(shí)現(xiàn)糖尿病的治愈，還有很長(zhǎng)的一段路要走。
參考文獻(xiàn)：
1.Maity D, Guha Ray P, Buchmann P, Mansouri M, Fussenegger M. Blood-Glucose-Powered Metabolic Fuel Cell for Self-Sufficient Bioelectronics. Adv Mater. 2023;e2300890. doi:10.1002/adma.202300890;
2.Xie M, Ye H, Wang H, Fussenegger M et al. β-cell-mimetic designer cells provide closed-loop glycemic control. Science. 2016;354(6317):1296-1301. doi:10.1126/science.aaf4006;
3.Krawczyk K, Xue S, Buchmann P, Fussenegger M et al. Electrogenetic cellular insulin release for real-time glycemic control in type 1 diabetic mice. Science. 2020;368(6494):993-1001. doi:10.1126/science.aau7187
聯(lián)系客服
