新研究利用電流控制基因，讓細(xì)胞被電擊，產(chǎn)生胰島素

經(jīng)過(guò)基因工程改造的人類細(xì)胞在受到微電流刺激時(shí)會(huì)產(chǎn)生胰島素，這種細(xì)胞有一天可能被用于開(kāi)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(xì)胞，這種細(xì)胞能對(duì)活性氧(ROS)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，ROS就是通電時(shí)產(chǎn)生的不穩(wěn)定的含氧自由基，最終開(kāi)啟了制造胰島素所需的基因。

在一項(xiàng)概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，他們將這種工程細(xì)胞植入小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)給電針灸針施加電流時(shí)，這些細(xì)胞會(huì)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(shuō)，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(xiàng)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(guó)理工學(xué)院合成生物學(xué)家Rodrigo Ledesma Amaro（沒(méi)有參與這項(xiàng)研究）說(shuō)，這項(xiàng)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(kāi)關(guān)

利用電來(lái)控制生物過(guò)程的想法早在20世紀(jì)80年代就出現(xiàn)了，當(dāng)時(shí)研究人員開(kāi)始利用微生物來(lái)發(fā)展這一概念。Fussenegger和他的團(tuán)隊(duì)一直致力于研究人類細(xì)胞，希望開(kāi)發(fā)“電子世界和基因世界之間的接口”，F(xiàn)ussenegger說(shuō)。這可以通過(guò)在植入細(xì)胞中開(kāi)啟或關(guān)閉特定基因來(lái)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(xì)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(dá)到危險(xiǎn)的高水平。

Fussenegger和他的同事們?cè)O(shè)計(jì)了胰島素生成細(xì)胞，可以通過(guò)操縱它們對(duì)活性氧的反應(yīng)來(lái)激活它們。這些有毒分子是在細(xì)胞代謝過(guò)程中自然產(chǎn)生的，但它們的形成也可以通過(guò)對(duì)細(xì)胞施加直流電來(lái)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(shuō):“在低水平時(shí)，ROS可以作為一種重要的信號(hào)分子和基因表達(dá)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。”但在氧化應(yīng)激過(guò)程中，當(dāng)活性氧過(guò)量時(shí)，它們會(huì)攻擊其他分子并破壞正常功能。為了避免這種情況，細(xì)胞通常會(huì)產(chǎn)生抗氧化蛋白來(lái)中和ROS。

在工程細(xì)胞中，研究人員通過(guò)將產(chǎn)生胰島素的基因置于合成啟動(dòng)子序列之后，這樣來(lái)“偽裝”胰島素基因。啟動(dòng)子序列是與抗氧化劑產(chǎn)生基因相關(guān)的DNA區(qū)域，在對(duì)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(guò)程中自然增強(qiáng)抗氧化蛋白的表達(dá)。

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(jìn)一步，將重新編程的人類細(xì)胞整合到一個(gè)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(xì)胞中，這些細(xì)胞位于皮下膠囊中。當(dāng)該裝置受到刺激時(shí)，動(dòng)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(guò)改變電流的長(zhǎng)度和強(qiáng)度來(lái)控制。

該團(tuán)隊(duì)希望有一天這個(gè)系統(tǒng)可以被改編成由計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)控制的可穿戴醫(yī)療設(shè)備。

但這項(xiàng)技術(shù)仍處于非常早期的階段，在進(jìn)行人體測(cè)試之前還需要做更多的工作。Isenovic說(shuō)，現(xiàn)在考慮將其用于治療還為時(shí)過(guò)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(xiàng)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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