智能電子設(shè)備正越來越多地主導(dǎo)著我們的日常生活，并已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中塑造了一個個新的診治機(jī)遇。糖尿病目前仍處于不可治愈狀態(tài)，如何利用科技發(fā)展治愈糖尿病是科學(xué)家們近年來致力攻破的難題之一。

我們已經(jīng)知道，1型糖尿病和晚期的2型糖尿病患者因體內(nèi)的胰島素絕對缺乏，必須從外部獲得胰島素來調(diào)節(jié)血糖水平。與身體連接的胰島素泵可以通過外源性補(bǔ)充胰島素來實現(xiàn)糖尿病的部分治療，但這些設(shè)備的運(yùn)行目前需要依靠一次性電池或可充電電池來提供能量，無法實現(xiàn)電池的自動運(yùn)作和持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致便利性和移動性欠佳，限制了該類裝置在臨床的有效推廣。

因此，設(shè)計一種強(qiáng)大的、自給自足的、在生理條件下工作的植入式發(fā)電裝置將對包括胰島素泵在內(nèi)的許多醫(yī)療應(yīng)用產(chǎn)生變革性的影響。近期，來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）以及巴塞爾大學(xué)（University of Basel）的研究人員設(shè)計了一種新型的葡萄糖動力電池，可以將患者體內(nèi)的葡萄糖直接轉(zhuǎn)化為電能。相關(guān)研究成果以“Blood-Glucose-Powered Metabolic Fuel Cell for Self-Sufficient Bioelectronics”，于近期發(fā)表在Advanced Materials期刊上。

該研究利用一種新的含銅導(dǎo)電調(diào)諧三維碳納米管復(fù)合材料，設(shè)計了一種可以持續(xù)監(jiān)測血糖水平的血糖驅(qū)動代謝燃料電池，在高血糖期間將過量的葡萄糖轉(zhuǎn)化為電能，并產(chǎn)生足夠的能量（0.7 mW/cm2，0.9 V，50 mM 葡萄糖）來驅(qū)動光電遺傳，調(diào)控β細(xì)胞的胰島素釋放。研究表明，在1型糖尿病的實驗?zāi)Ｐ椭校ㄟ^結(jié)合電代謝轉(zhuǎn)化和胰島素釋放介導(dǎo)的細(xì)胞消耗，可以將血糖監(jiān)測與消除過量血糖相結(jié)合，從而使代謝燃料電池能夠以自動、自給自足和閉環(huán)的方式恢復(fù)小鼠的血糖穩(wěn)態(tài)（圖1）。

圖1 非酶代謝燃料電池閉環(huán)控制血糖穩(wěn)態(tài)的示意圖 ?

這已經(jīng)不是Fussenegger研究團(tuán)隊第一次將科技與糖尿病相結(jié)合的偉大嘗試，早在2016年，該團(tuán)隊就利用一種簡單明了的工程學(xué)方法制造出人工胰島β細(xì)胞，并將以上研究成果發(fā)表在Science雜志上。在這項研究中，他們使用了一種基于人腎細(xì)胞的HEK細(xì)胞膜中天然的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和鉀離子通道，利用電壓依賴性鈣離子通道、產(chǎn)生胰島素或GLP-1的基因提高它們的功能。當(dāng)血糖水平超過某個閾值時，鉀離子通道關(guān)閉。這會顛倒細(xì)胞膜上的電壓分布，導(dǎo)致鈣離子通道打開。隨著鈣離子流進(jìn)，它觸發(fā)HEK細(xì)胞內(nèi)在的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)事件，導(dǎo)致胰島素或GLP-1的產(chǎn)生和分泌（圖2）。這些帶有高科技色彩的人工β細(xì)胞能夠完成天然的β細(xì)胞做的任何事情：包括測量血液中的葡萄糖濃度以及產(chǎn)生足夠的胰島素來有效地調(diào)控血糖水平。

圖2 HEK-293細(xì)胞葡萄糖傳感圖

值得一提的是，在2020年5月29日的Science期刊上，該研究團(tuán)隊再次發(fā)表了Fussenegger團(tuán)隊關(guān)于該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。該研究團(tuán)隊利用合成生物學(xué)方法工程化改造人胰島β細(xì)胞，首次使用定制的生物微電子設(shè)備在1型糖尿病小鼠體內(nèi)對人工β細(xì)胞進(jìn)行無線電刺激，實現(xiàn)了對胰島素合成和釋放的精準(zhǔn)調(diào)控（圖3）。該研究所展示的電遺傳學(xué)調(diào)控工具，是繼光、磁、無線電波、超聲等基因調(diào)控系統(tǒng)之后，又一項極具應(yīng)用前景的遠(yuǎn)程調(diào)控細(xì)胞功能的工具。這也是生命科學(xué)界首次實現(xiàn)直接以電信號為媒介遠(yuǎn)程精準(zhǔn)調(diào)控哺乳動物細(xì)胞基因表達(dá)和胰島素釋放的功能。

圖3 如硬幣般大小的生物微電子設(shè)備植入小鼠體內(nèi)

讓我們再次回到2023年這篇文章，該團(tuán)隊人員基于以上研究成果繼往開來的開發(fā)了結(jié)合兩種技術(shù)的最新裝置（能在電壓控制下釋放胰島素的人工胰島β細(xì)胞+血糖驅(qū)動代謝燃料電池），該裝置在血糖過高時會激活燃料電池，分解葡萄糖產(chǎn)生電力，刺激人工胰島β細(xì)胞釋放胰島素以降低血糖。血糖回到正常水平后，燃料電池停止運(yùn)作，胰島素釋放中止（圖4）。并在1型糖尿病小鼠進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)該裝置不僅實現(xiàn)了血糖的有效控制，而且燃料電池表現(xiàn)出良好的耐久性。實現(xiàn)了以自動、自給自足和閉環(huán)的高科技方式，為糖尿病的治愈提供可能。

圖4 代謝燃料電池光遺傳刺激人胰島β細(xì)胞釋放囊泡胰島素

“路漫漫其修遠(yuǎn)兮”，雖然該領(lǐng)域在這幾年內(nèi)陸續(xù)出了可喜的研究成果，但目前此類裝置還處于動物研究的層面上，研究人員表示未來要應(yīng)用于臨床實踐并實現(xiàn)糖尿病的治愈，還有很長的一段路要走。

審核編輯：劉清