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| 本文作者： 付靜 | 2020-06-02 18:53 |
靜脈抽血檢驗、血糖儀快速檢測，常規(guī)的血糖監(jiān)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(xiàn)了。
由蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zürich）生物系統(tǒng)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(yī)用植入物提供了基礎。
當?shù)貢r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(fā)表于國際權威期刊《科學》（Science）。
我們都知道，檢測、調控血糖水平，對于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(guī)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 】
基于此，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(jiān)測血糖水平，必要時還會發(fā)出警報。
雷鋒網(wǎng)從蘇黎世聯(lián)邦理工學院官網(wǎng)了解到，該團隊擅長于開發(fā)可對人體特定生理狀態(tài)（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，特別是處理復雜控制和閉環(huán)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(fā)電信號、調節(jié)血糖水平；患者也可提前設置好，APP 將會自動觸發(fā)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 法郎硬幣那么大。
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?shù)郊毎碳も}、鉀通道，也觸發(fā)了控制胰島素基因的細胞中的信號級聯(lián)放大反應。
這里的「信號級聯(lián)放大反應」是指從細胞表面受體接收外部信號到最后作出綜合性應答的過程，在這一過程中信號逐步放大。
接收到信號之后，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于細胞器間的囊泡中，囊泡與細胞膜融合，幾分鐘后便開始釋放快速胰島素，從而使得占胰島細胞 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(xiàn)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(fā)的囊泡釋放系統(tǒng)可快速恢復到小鼠的正常血糖水平。
就這一方案，Martin Fussenegger 教授介紹了其優(yōu)勢：
我們的植入物可以連網(wǎng)，醫(yī)生或患者既可使用 APP 自行干預、觸發(fā)胰島素產生，APP 也能直接干預。這種設備使人們能夠完全融入數(shù)字世界，成為物聯(lián)網(wǎng)甚至人體互聯(lián)網(wǎng)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(yōu)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，原因在于其強大的保護功能。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(jù)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(xiàn)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://bsse.ethz.ch/department/people/detail-person.html?persid=88479
https://science.sciencemag.org/content/368/6494/993
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