為了尋找更有效的1型糖尿病治療方法，科學(xué)家們一直在努力尋找新的技術(shù)和治療手段。最近，一項(xiàng)重要的實(shí)驗(yàn)性研究在這方面取得了有趣的突破。這項(xiàng)新研究的背后是一種名為“電流控制基因”的新型技術(shù)，其基本概念可以追溯到20世紀(jì)80年代。當(dāng)時(shí)，研究人員開(kāi)始在微生物領(lǐng)域開(kāi)發(fā)這一概念，希望通過(guò)電刺激或電流來(lái)控制微生物細(xì)胞中的基因表達(dá)和生物活動(dòng)。這種“電學(xué)世界”和“生物學(xué)世界”的交叉研究為后來(lái)的生物電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。新研究在20世紀(jì)80年代的基礎(chǔ)上，采用類(lèi)似的概念，但將其應(yīng)用于人類(lèi)細(xì)胞。

近期，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Martin Fussenegger博士等人，通過(guò)基因工程創(chuàng)造出一種對(duì)電流刺激作出反應(yīng)的人類(lèi)細(xì)胞，并在小鼠體內(nèi)進(jìn)行了概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過(guò)電流刺激植入的基因工程細(xì)胞，成功調(diào)控了血糖水平。相關(guān)論文以“An electrogenetic interface to program mammalian gene expression by direct current”為題，發(fā)表在Nature Metabolism期刊上。該論文第一作者是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的黃金波博士。

發(fā)展電基因接口

研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種名為直流（DC）激活調(diào)控技術(shù)（DART）的電基因調(diào)控技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)使用低電壓直流電在人類(lèi)細(xì)胞中快速產(chǎn)生自由電子和自由基物質(zhì)，從而在低劑量下無(wú)中介物質(zhì)地產(chǎn)生活性氧自由基（ROS）。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)電基因接口，使得人類(lèi)細(xì)胞能夠?qū)χ绷麟姶碳ぷ龀龇磻?yīng)，并實(shí)現(xiàn)DC可調(diào)的基因調(diào)控。通過(guò)對(duì)人類(lèi)胚胎腎細(xì)胞（HEK293）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究人員證明了通過(guò)對(duì)基因組進(jìn)行重組，使細(xì)胞對(duì)電生活性氧自由基產(chǎn)生過(guò)敏，從而實(shí)現(xiàn)直接的、無(wú)需輔因子的DC控制的基因表達(dá)調(diào)節(jié)。通過(guò)將轉(zhuǎn)錄因子NRF2重構(gòu)到合成抗氧化反應(yīng)元件（ARE）的啟動(dòng)子上，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)治療性基因（如胰島素基因）的直接調(diào)節(jié)。

圖2 哺乳動(dòng)物細(xì)胞中直流激活轉(zhuǎn)基因表達(dá)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

1型糖尿病治療的潛在應(yīng)用為了驗(yàn)證這項(xiàng)技術(shù)的可行性，研究團(tuán)隊(duì)在1型糖尿病小鼠模型中應(yīng)用DART技術(shù)實(shí)現(xiàn)了胰島素表達(dá)的遙控調(diào)節(jié)。通過(guò)每天一次在皮下植入的基因工程細(xì)胞上使用世界衛(wèi)生組織（WHO）批準(zhǔn)和美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）許可的針灸針電極進(jìn)行4.5 V直流電10秒的刺激，成功地觸發(fā)了足夠的胰島素產(chǎn)生，從而減輕了餐后血糖波動(dòng)并恢復(fù)了正常的血糖水平。這意味著這項(xiàng)技術(shù)有望用于1型糖尿病患者的治療，通過(guò)可穿戴電子設(shè)備直接干預(yù)代謝過(guò)程。

圖3 DART系統(tǒng)治療1型糖尿病小鼠的適應(yīng)性和驗(yàn)證

總之，該論文介紹了一種名為直流激活調(diào)控技術(shù)（DART）的電基因接口，該技術(shù)能夠在人類(lèi)細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)通過(guò)電池提供的直流電刺激來(lái)介導(dǎo)、時(shí)間和電壓依賴(lài)的轉(zhuǎn)基因表達(dá)。這種DART技術(shù)利用直流電源產(chǎn)生無(wú)毒性水平的活性氧自由基，通過(guò)生物傳感器可逆地微調(diào)合成啟動(dòng)子。在1型糖尿病小鼠模型的概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，成功觸發(fā)了胰島素的釋放并恢復(fù)了正常血糖水平。雖然這項(xiàng)技術(shù)還處于早期階段，并需要更多的研究和驗(yàn)證，但其前景非常令人鼓舞。該技術(shù)有望使可穿戴電子設(shè)備能夠直接進(jìn)行代謝干預(yù)和基因療法，為個(gè)性化醫(yī)學(xué)干預(yù)提供了重要的技術(shù)支持。

責(zé)任編輯：彭菁