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中国科学家发明光控细胞,可用手机操控治疗糖尿病

2017-5-4 12:48| 发布者: cncelab| 查看: 2497| 评论: 0

摘要: 经过灯光照射的细胞可以分泌胰岛素或胰高血糖素样肽-1(GLP-1,回肠内分泌的一种多肽,可以减少肠蠕动,抑制胃排空,有助于控制饮食,减轻体重,目前主要作为2型糖尿病药物作用的靶点),就可以使小鼠的血糖降低到正 ...
     【消费电子实验室-2017/5/4】智能手机简直已经成为我们生活中必不可少的一部分了,很多科学家也在尝试开发手机应用程序来诊断、监测疾病,糖尿病恐怕是其中应用最多的疾病之一了。

《科学 转化医学》杂志封面

       来自华东师范大学的叶海峰研究员带领他的团队在《科学 转化医学》杂志上发表了封面文章,他们将智能手机与光遗传学相结合,可以利用手机app和特制LED灯来远程调控糖尿病的治疗[1]!

        所以这是怎么做到的呢?简单概括一下,首先我们需要一个有蓝牙功能的血糖仪,可以将血糖数据传输到手机app上,app会对数据进行处理,判断血糖水平,当app判断血糖水平过高时,就会触发植入进小鼠体内的可以发出远红外光的LED灯。

        经过灯光照射的细胞可以分泌胰岛素或胰高血糖素样肽-1(GLP-1,回肠内分泌的一种多肽,可以减少肠蠕动,抑制胃排空,有助于控制饮食,减轻体重,目前主要作为2型糖尿病药物作用的靶点),就可以使小鼠的血糖降低到正常范围内了!

        叶海峰研究员2007年硕士毕业于华东师范大学,2012年在瑞士苏黎世联邦理工大学获得博士学位,2014年入选国家第十一批“千人计划”青年项目,同时回到母校——华东师大任教。叶博士主攻合成生物学领域,利用合成生物学理念,人工设计、合成智能基因网络调控系统,并用于疾病的诊断与治疗[2]。

       对于这个新研究,叶博士认为,这是“迈向个性化、数字化精准医学时代的重要一步”[3]。虽然前面的介绍听起来很简单,似乎没什么“难度”的样子,但是探索出这套“巧妙的系统”可真的不是那么容易的事情。

       首先,研究人员设计出了可以“被光控制”的细胞,他们将光敏细菌蛋白转入了小鼠细胞中,这种“定制细胞”可以在光照下激活与分泌胰岛素或GLP-1有关的基因。经过逐一的实验,研究人员发现,这些细胞中的特定基因只能被远红外光所激活,而且在波长为730nm时基因表达最活跃。

波长为730nm的远红外光照射时,基因表达活跃度最高

       接下来,研究人员开发了一款app,并取名为“ECNU-TeleMed”,这款app连接有一个“控制箱”,里面有设计好的电路,可以接通远红外光LED灯,app能够远程调节光照的强度和照射时间。研究人员将定制细胞移植入糖尿病小鼠皮下,然后用LED灯进行照射,发现不出2个小时,糖尿病小鼠超标的血糖就可以降到正常范围内。而且照射4个小时,效果能持续半个月!

I型糖尿病小鼠胰岛素分泌量的对比(J)、血糖水平的对比(K)和光照2小时后葡萄糖耐量的对比(L),
其中横坐标(﹣﹣)为未移植定制细胞且未接受远红外光照射,(-﹢)为未移植定制细胞但接受远红外光照射,
以此类推下方N、O、P图为II型糖尿病小鼠的各项对比,依次与上方J、K、L图对应

      看到这,大家可能会觉得,这好像和我们开始的“太长不看”版介绍不太一样啊!当然了,这只是这个“智能控制器”的1.0版本。在取得了这样的好的成效后,研究人员开始琢磨,如果应用到人身上,难道每次都要让糖尿病患者抽出4个小时,在远红外光下面照一照吗?这也太不人性化了!

      于是,他们继续探索,设计出了一种特殊的水凝胶,把“定制细胞”和能发出远红外光的小型LED灯都放入水凝胶中,再放入一个蓝牙信号接收器。研究人员想,这样,手机就可以通过蓝牙来控制LED灯,照射之后激活定制细胞中的基因,达到控制血糖的目的了!这就是“智能控制器”的进阶2.0版本了。在实验中,研究人员将“组装”好的水凝胶移植到了小鼠体内,发现水凝胶的性质非常稳定,对血糖水平的控制也和直接照射有同样的效果!

       然而,这依然不是“最终版”,因为研究人员还希望能够更加“一条龙服务”。所以,他们又找来了有蓝牙功能的血糖仪,血糖仪可以将测得的血糖数据传输到手机app中,app内置了算法,可以对血糖水平进行分析,然后与预设的“阈值”进行对比,如果血糖“超标”了,app就会发射信号“打开”LED灯了。app依然可以调节光强和照射时间,进而控制胰岛素或GLP-1的分泌量,实现对血糖的“智能化”控制。这就是最终的3.0版本了。

       怀俄明大学的分子生物学家Mark Gomelsky教授在同期的《科学 转化医学》杂志上专门为这个研究撰写了一篇评论文章[4]。他认为,在人体上的应用或许可以通过“LED手环”来实现,而不需要将LED灯植入体内,而且这种方法还可以用来治疗其他疾病。

        叶博士表示,他的终极目标是“全自动血糖监测和糖尿病治疗系统”,可以通过手机每天24小时持续监测糖尿病患者的身体状况[5]。想象一下,假如有一天这变为现实,对于糖尿病患者来说,无疑是一项“改变生活”的科技发明,我们期待这一天早日到来。

参考资料:

[1] Jiawei Shao, el. Smartphone-controlledoptogenetically engineered cells enable semiautomatic glucose homeostasis indiabetic mice. Science Translational Medicine, 2017; 9 (387): eaal2298 DOI:10.1126/scitranslmed.aal2298

[2] http://faculty.ecnu.edu.cn/s/2803/main.jspy

[3] http://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/devices/smartphonecontrolled-cells-keep-diabetes-in-check

[4] http://stm.sciencemag.org/content/9/387/eaan3936

[5] https://www.technologyreview.com/s/604262/smartphone-controlled-cells-could-pump-insulin-for-diabetics/

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