从光到电，细胞基因表达调控更精准

为了提高糖尿病治疗的便捷性、有效性以及患者的接受度，科学家不断寻找新的治疗模式。从早期注射胰岛素、服用药物等传统治疗方法到近期开发的各种细胞治疗方案，科技的不断发展为糖尿病患者带来了希望。5月29日，《科学》杂志在线发表了瑞士苏黎世联邦理工大学团队联合华东师范大学、西湖大学等单位的研究成果。研究团队开发了利用定制的生物电子设备可实时控胰岛细胞的蛋白分泌系统，首次使用电信号直接来远程调控哺乳动物细胞的基因表达。

“将细胞基因表达的调控从光遗传学真正地推向电遗传学，这是一个重大突破。”论文参与者、瑞士苏黎世联邦理工大学教授Martin Fussenegger团队的前课题组组长、西湖大学生命科学学院研究员解明岐告诉《中国科学报》。

取代对注射的依赖

糖尿病是威胁人类健康的慢性病之一，其主要特征表现为高血糖，并伴随继多种并发症的产生。糖尿病患者需要根据自己血糖的高低水平定时定量的注射胰岛素，但每天多次的注射大大影响着患者的生活质量。

所以，如果能让植入患者体内的细胞在特定刺激条件下精准地分泌一定剂量的胰岛素，就可以有效地取代患者对注射的依赖性。

然而，胰岛素是一种比较“害羞”的物质。

“正常生理情况下，胰岛β细胞表达出胰岛素并不直接分泌于外界，而是隐藏在胞质内。只要当受到外界刺激时，如血液中血糖升高时，胰岛素才会释放。”论文参与者、华东师范大学生命科学学院教授叶海峰向《中国科学报》介绍，葡萄糖被葡萄糖转运蛋白运送至胞内时会导致细胞内ATP/ADP的浓度升高，引起细胞膜电位的变化，从而导致钙离子内流，钙离子内流进一步导致胰岛素释放。

研究人员根据这一特点，利用对葡萄糖反应缺陷的胰岛β细胞，利用电来控制其膜电位变化，从而控制钙离子的内流，达到人为的调控胰岛素释放的效果。

解明岐介绍，首先通过设计一个符合细胞生长条件的电子设备，创建出一个特定频率的“微电厂”。然后，通过强表达各种电压门控离子通道精准调控胰岛β细胞的激活阈和钙离子的流入，使分泌系统响应外源的电诱导信号。

不再需要“变压器”

在该研究之前，从时空上控制细胞活动并用于疾病治疗的最新方法和思路是光遗传学装置。科学家相继开发了蓝光、红光、紫外光和近红外光诱导的光遗传学装置，包括跨膜感光受体视黑素系统、LOV系统、CRY2/CIBN系统等，应用于基因编辑、内源激活、控制细胞器活动等领域。

但“光调控系统需要将电信号转化为对应的光、磁或超声，这种能量转化可能需要较多的能量，可能会给细胞制造一定的负担，同时限制电子设备在体内的使用时间”。解明岐说。

他向《中国科学报》进一步解释道，光、磁、超声波等调控系统就像一个变压器，电信号需要到那里经过转化才能有效跟细胞“沟通”。“电调控系统可以直接利用原始的电信号来控制细胞的基因表达或胰岛素释放，这就避免了电向其它能源的转化，从而保证未来调控装置具有较长的使用寿命。”

此外，光调控系统中光产热可能会导致机体发热，使其处于非生理温度，从而导致病理状态的产生。而本文的电调控系统并不会产生上述问题。

电调控系统能够控制足量胰岛素的表达或分泌，较好的维持血糖的稳定，具有很好的临床应用前景。解明岐表示，在未来将含有智能细胞的电诱导系统植入到患者的皮下，便可以通过手机程序远程调控体内各种药物蛋白的实时分泌，对糖尿病等多种其它疾病实现最精准的细胞治疗方案。

但叶海峰研究员表示“该电子装备中细胞可存活多久，能否达到长期的治疗效果，仍然是细胞治疗领域向临床转化需要解决的一大问题。”。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.aau7187