糖尿病是一種常見(jiàn)的慢性病，個(gè)性化精準(zhǔn)治療是極具吸引力的。精確控制劑量對(duì)藥物療法至關(guān)重要。在概念驗(yàn)證研究中，植入封裝設(shè)計(jì)工程細(xì)胞來(lái)微調(diào)蛋白治療劑的原位生產(chǎn)和系統(tǒng)遞送，以響應(yīng)化學(xué)和物理信號(hào)。基因表達(dá)或囊泡分泌電刺激需要生物電界面來(lái)管理電極和電敏設(shè)計(jì)細(xì)胞之間的電傳導(dǎo)，以及通過(guò)去極化將電子信息轉(zhuǎn)換為蛋白質(zhì)的產(chǎn)生和釋放。隨著遺傳學(xué)的出現(xiàn)，可以使用智能手機(jī)控制遺傳學(xué)生物醫(yī)學(xué)植入物，以上傳設(shè)計(jì)細(xì)胞的指令，產(chǎn)生并全身遞送治療劑量的胰島素生成肽的方法，進(jìn)而控制血糖。血糖水平的調(diào)節(jié)是一個(gè)閉環(huán)恒定過(guò)程。胰腺β細(xì)胞釋放的胰島素涉及葡萄糖的吸收和代謝，三磷酸腺苷介導(dǎo)的鉀通道的封閉，質(zhì)膜的去極化以及電壓門控鈣通道的開(kāi)放，將導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2 +激增并同時(shí)從細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)泡中快速釋放胰島素以達(dá)到治療。
【研究成果】
近日，蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)合成生物學(xué)大師Martin Fussenegger教授團(tuán)隊(duì)，華東師范大學(xué)葉海峰研究員(優(yōu)青) 和西湖大學(xué)解明岐研究員等研究者們共同合作，提出了一種無(wú)輔因子的生物電子界面理論，該界面連接了人無(wú)線電刺激的人體細(xì)胞和人工合成的啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)基因表達(dá)，或使囊泡儲(chǔ)藏庫(kù)內(nèi)快速分泌表達(dá)蛋白治療。電遺傳學(xué)控制通過(guò)耦合L型電壓門控通道CaV1.2的異位表達(dá)，和向內(nèi)整流鉀離子通道Kir2.1的所需輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)I型糖尿病，他們?cè)O(shè)計(jì)了電敏感的人類β細(xì)胞，定制生物電子設(shè)備內(nèi)部的β細(xì)胞可無(wú)線電刺激實(shí)時(shí)控制囊泡胰島素的釋放，胰島素可在10分鐘內(nèi)達(dá)到峰值。結(jié)果表明，當(dāng)植入皮下時(shí)，這種電觸發(fā)的囊泡釋放系統(tǒng)可恢復(fù)1型糖尿病小鼠的正常血糖。這項(xiàng)研究以題為“Electrogenetic cellular insulin release for real-time glycemic control in type 1 diabetic mice”的論文發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Science》上（下附原文鏈接）。同時(shí)，該文也被特別轉(zhuǎn)載在其新聞欄以題為“Remote activation of cellular signaling”。
【圖文解析】
1. 生物電子植入物的設(shè)計(jì)：
該文將電刺激的基因表達(dá)轉(zhuǎn)換為臨床概念驗(yàn)證的生物電子植入物，需要對(duì)電極和電刺激進(jìn)行更緊湊的設(shè)計(jì)。在轉(zhuǎn)錄控制裝置中，簡(jiǎn)單小型化的自由懸掛電極不能提供有效的電刺激。因此，作者設(shè)計(jì)了一種定制細(xì)胞工程培養(yǎng)插入物，該插入物在半透膜的每一側(cè)都包含電極，該電極具有單層電敏ElectroHEK細(xì)胞（圖3A）。在較短的脈沖長(zhǎng)度下，對(duì)pMX57（PNFAT3-SEAP-pA）轉(zhuǎn)染的ElectroHEK細(xì)胞進(jìn)行電刺激，會(huì)導(dǎo)致7.5 V的堿性磷酸酶（SEAP）峰值水平（圖3，B和C），這比以前的自由懸掛電極排列低一個(gè)數(shù)量級(jí)。（圖3，D和E）。
為了使體內(nèi)電敏細(xì)胞能夠電刺激轉(zhuǎn)基因表達(dá)，作者還設(shè)計(jì)了一種無(wú)線生物電子植入物。將定制的裝有電極的細(xì)胞培養(yǎng)插入物點(diǎn)擊進(jìn)入3D打印的FDA許可的聚酰胺外殼（圖4，A和B），該電子開(kāi)關(guān)盤產(chǎn)生方形單極脈沖。生物電子植入物的對(duì)照運(yùn)行驗(yàn)證了pMX57轉(zhuǎn)染的ElectroHEK細(xì)的無(wú)線電刺激控制SEAP表達(dá)（圖4C）。
2. 電β細(xì)胞提供電刺激的囊泡分泌：
為了使電刺激胰島素囊泡釋放的哺乳動(dòng)物細(xì)胞工程化（圖5A），作者通過(guò)選擇葡萄糖敏感的缺點(diǎn)（圖6，E和F），從胰腺β細(xì)胞系1.1E7衍生了一個(gè)單克隆種群INSVesc。，但保留了囊泡胰島素分泌機(jī)制。實(shí)際上，Electroβ細(xì)胞的電子顯微照片是一種穩(wěn)定轉(zhuǎn)基因CaV1.2和Kir2.1通道組成型表達(dá)的INSVesc轉(zhuǎn)化（pKK66，PhEF1α-α1C-P2A-Kir2.1-pA; pMX251，PhEF1α-α2/δ1-P2A- β3-pA）和Proinsulin-NanoLuc（一種設(shè)計(jì)構(gòu)建體，可在內(nèi)分泌細(xì)胞類型中以等摩爾比共分泌胰島素和Oplophorus gracilirostris熒光素酶（NanoLuc）（圖5A），顯示出讓人聯(lián)想到人胰島來(lái)源的β細(xì)胞的含胰島素顆粒（圖5，D和E）。另外，Electroβ細(xì)胞響應(yīng)于KCl介導(dǎo)（圖5，B和C）或電刺激（圖6，A和B）膜去極化，顯示出良好相關(guān)的囊泡胰島素和NanoLuc分泌。
作者通過(guò)電刺激Electroβ細(xì)胞并記錄培養(yǎng)物上清液中相應(yīng)的NanoLuc介導(dǎo)的發(fā)光來(lái)描述基于去極化的胰島素釋放動(dòng)力學(xué)（圖6C）。電刺激后，10分鐘內(nèi)達(dá)到NanoLuc峰值水平（圖6C）。最重要的是，Electroβ細(xì)胞未顯示任何葡萄糖敏感性胰島素的產(chǎn)生，從而確保了電刺激控制囊泡胰島素分泌，而不受血糖水平的干擾（圖6，E和F）。
3. 無(wú)線電刺激的胰島素囊泡分泌可在1型糖尿病小鼠中提供快速的血糖控制：
從儲(chǔ)存庫(kù)中釋放胰島素可以改善反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，并在餐后迅速恢復(fù)血糖穩(wěn)態(tài)。到目前為止，用于治療實(shí)驗(yàn)性糖尿病的設(shè)計(jì)都是基于細(xì)胞的概念驗(yàn)證策略，集中于轉(zhuǎn)錄控制，轉(zhuǎn)錄控制被認(rèn)為太慢，無(wú)法應(yīng)對(duì)餐后血糖激增。對(duì)于OptoHEK細(xì)胞，觀察到了相似的性能。相反，當(dāng)置于無(wú)線生物電子植入物中時(shí)（圖4），Electroβ細(xì)胞可以在短暫的電刺激后在胰島素缺乏型1型糖尿病小鼠中重建餐后葡萄糖代謝，而不會(huì)引起降血糖偏移（圖7A），并且可能迅速降低電刺激后血糖水平恢復(fù)正常血糖（圖7B）。值得注意的是，電刺激僅在1小時(shí)后顯示峰值信號(hào)，在2小時(shí)后恢復(fù)到基線（圖7C）。還可以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)控制血糖，而沒(méi)有任何低血糖的跡象（圖7D）。
【陳述總結(jié)】
該文通過(guò)生物電子植入物內(nèi)部的電敏設(shè)計(jì)器，細(xì)胞能以無(wú)線電方式刺激胰島素釋放，與此同時(shí)能夠迅速恢復(fù)I型糖尿病小鼠的正常血糖。作者采用分泌途徑或囊泡分泌對(duì)生物藥物釋放進(jìn)行編程的無(wú)線電子設(shè)備，并通過(guò)設(shè)備與植入細(xì)胞之間的直接通信，推進(jìn)了遺傳學(xué)的方法，有望為針對(duì)個(gè)人優(yōu)化的先進(jìn)精密醫(yī)療保健打開(kāi)許多新的機(jī)會(huì)。
