新研究利用電流控制基因，讓細胞被電擊，產(chǎn)生胰島素

經(jīng)過基因工程改造的人類細胞在受到微電流刺激時會產(chǎn)生胰島素，這種細胞有一天可能被用于開發(fā)更好的1型糖尿病治療方法。研究人員培育出了一種細胞，這種細胞能對活性氧(ROS)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，ROS就是通電時產(chǎn)生的不穩(wěn)定的含氧自由基，最終開啟了制造胰島素所需的基因。

在一項概念驗證實驗中，他們將這種工程細胞植入小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)當給電針灸針施加電流時，這些細胞會釋放出胰島素。

該研究的合著者、蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的生物工程師Martin Fussenegger說，該研究結(jié)果發(fā)表在7月31日的《自然-代謝》雜志上，為這項技術(shù)有朝一日被納入醫(yī)療植入物提供了希望。

倫敦帝國理工學(xué)院合成生物學(xué)家Rodrigo Ledesma Amaro（沒有參與這項研究）說，這項技術(shù)“可以使用普通電池和較低的電壓，與可植入設(shè)備兼容”。

電子基因開關(guān)

利用電來控制生物過程的想法早在20世紀80年代就出現(xiàn)了，當時研究人員開始利用微生物來發(fā)展這一概念。Fussenegger和他的團隊一直致力于研究人類細胞，希望開發(fā)“電子世界和基因世界之間的接口”，F(xiàn)ussenegger說。這可以通過在植入細胞中開啟或關(guān)閉特定基因來靶向遺傳疾病，使它們能夠傳遞關(guān)鍵的蛋白質(zhì)。

例如，1型糖尿病患者很少或根本不分泌胰島素，而胰島素是控制人體血糖水平的關(guān)鍵激素。這種刺激細胞按需產(chǎn)生胰島素的能力可以幫助那些患有這種疾病的人避免高血糖，防止血糖水平達到危險的高水平。

Fussenegger和他的同事們設(shè)計了胰島素生成細胞，可以通過操縱它們對活性氧的反應(yīng)來激活它們。這些有毒分子是在細胞代謝過程中自然產(chǎn)生的，但它們的形成也可以通過對細胞施加直流電來誘導(dǎo)。

貝爾格萊德大學(xué)研究ROS在疾病中的作用的Esma Isenovic說:“在低水平時，ROS可以作為一種重要的信號分子和基因表達的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。”但在氧化應(yīng)激過程中，當活性氧過量時，它們會攻擊其他分子并破壞正常功能。為了避免這種情況，細胞通常會產(chǎn)生抗氧化蛋白來中和ROS。

在工程細胞中，研究人員通過將產(chǎn)生胰島素的基因置于合成啟動子序列之后，這樣來“偽裝”胰島素基因。啟動子序列是與抗氧化劑產(chǎn)生基因相關(guān)的DNA區(qū)域，在對活性氧的反應(yīng)中被激活。該序列包含重復(fù)的“抗氧化反應(yīng)元件”，在氧化應(yīng)激過程中自然增強抗氧化蛋白的表達。

胰島素植入

一旦作者證明了這種方法可行，他們就可以更進一步，將重新編程的人類細胞整合到一個裝置中，植入患有高血糖的小鼠體內(nèi)。他們用針將電流輸送到細胞中，這些細胞位于皮下膠囊中。當該裝置受到刺激時，動物的血液胰島素水平升高，血糖水平恢復(fù)正常。胰島素的釋放量可以通過改變電流的長度和強度來控制。

該團隊希望有一天這個系統(tǒng)可以被改編成由計算機或智能手機控制的可穿戴醫(yī)療設(shè)備。

但這項技術(shù)仍處于非常早期的階段，在進行人體測試之前還需要做更多的工作。Isenovic說，現(xiàn)在考慮將其用于治療還為時過早。她指出，下一步用更大的樣本量在不同的小鼠模型中研究這項技術(shù)，將有助于“全面了解”該系統(tǒng)的潛在應(yīng)用。

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