發(fā)布日期：2017-05-03
智能手機(jī)簡直已經(jīng)成為我們生活中必不可少的一部分了，很多科學(xué)家也在嘗試開發(fā)手機(jī)應(yīng)用程序來診斷、監(jiān)測疾病，糖尿病恐怕是其中應(yīng)用最多的疾病之一了。
《科學(xué) 轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》封面
這次，來自華東師范大學(xué)的葉海峰研究員帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)在《科學(xué) 轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》雜志上發(fā)表了封面文章，他們將智能手機(jī)與光遺傳學(xué)相結(jié)合，竟然可以利用手機(jī)app和特制LED燈來遠(yuǎn)程調(diào)控糖尿病的治療[1]！
所以這是怎么做到的呢？簡單概括一下，首先我們需要一個(gè)有藍(lán)牙功能的血糖儀，可以將血糖數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)app上，app會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷血糖水平，當(dāng)app判斷血糖水平過高時(shí)，就會(huì)觸發(fā)植入進(jìn)小鼠體內(nèi)的可以發(fā)出遠(yuǎn)紅外光的LED燈。經(jīng)過燈光照射的細(xì)胞可以分泌胰島素或胰高血糖素樣肽-1（GLP-1，回腸內(nèi)分泌的一種多肽，可以減少腸蠕動(dòng)，抑制胃排空，有助于控制飲食，減輕體重，目前主要作為2型糖尿病藥物作用的靶點(diǎn)），就可以使小鼠的血糖降低到正常范圍內(nèi)了！
葉海峰研究員（前排右一）及其團(tuán)隊(duì)
葉海峰研究員2007年碩士畢業(yè)于華東師范大學(xué)，2012年在瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，2014年入選國家第十一批“千人計(jì)劃”青年項(xiàng)目，同時(shí)回到母校——華東師大任教。葉博士主攻合成生物學(xué)領(lǐng)域，利用合成生物學(xué)理念，人工設(shè)計(jì)、合成智能基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控系統(tǒng)，并用于疾病的診斷與治療[2]。
對(duì)于這個(gè)新研究，葉博士認(rèn)為，這是“邁向個(gè)性化、數(shù)字化精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)時(shí)代的重要一步”[3]。雖然前面的介紹聽起來很簡單，似乎沒什么“難度”的樣子，但是探索出這套“巧妙的系統(tǒng)”可真的不是那么容易的事情。
基因表達(dá)活躍度最高波長為730nm的遠(yuǎn)紅外光照射時(shí)，基因表達(dá)活躍度最高
首先，研究人員設(shè)計(jì)出了可以“被光控制”的細(xì)胞，他們將光敏細(xì)菌蛋白轉(zhuǎn)入了小鼠細(xì)胞中，這種“定制細(xì)胞”可以在光照下激活與分泌胰島素或GLP-1有關(guān)的基因。經(jīng)過逐一的實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞中的特定基因只能被遠(yuǎn)紅外光所激活，而且在波長為730nm時(shí)基因表達(dá)最活躍。
接下來，研究人員開發(fā)了一款app，并取名為“ECNU-TeleMed”，這款app連接有一個(gè)“控制箱”，里面有設(shè)計(jì)好的電路，可以接通遠(yuǎn)紅外光LED燈，app能夠遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)光照的強(qiáng)度和照射時(shí)間。研究人員將定制細(xì)胞移植入糖尿病小鼠皮下，然后用LED燈進(jìn)行照射，發(fā)現(xiàn)不出2個(gè)小時(shí)，糖尿病小鼠超標(biāo)的血糖就可以降到正常范圍內(nèi)。而且照射4個(gè)小時(shí)，效果能持續(xù)半個(gè)月！
I型糖尿病小鼠胰島素分泌量的對(duì)比（J）、血糖水平的對(duì)比（K）和光照2小時(shí)后葡萄糖耐量的對(duì)比（L），其中橫坐標(biāo)（﹣﹣）為未移植定制細(xì)胞且未接受遠(yuǎn)紅外光照射，（-﹢）為未移植定制細(xì)胞但接受遠(yuǎn)紅外光照射，以此類推；下方N、O、P圖為II型糖尿病小鼠的各項(xiàng)對(duì)比，依次與上方J、K、L圖對(duì)應(yīng)
看到這，大家可能會(huì)覺得，這好像和我們開始的“太長不看”版介紹不太一樣啊！當(dāng)然了，這只是這個(gè)“智能控制器”的1.0版本。在取得了這樣的好的成效后，研究人員開始琢磨，如果應(yīng)用到人身上，難道每次都要讓糖尿病患者抽出4個(gè)小時(shí)，在遠(yuǎn)紅外光下面照一照嗎？這也太不人性化了！于是，他們繼續(xù)探索，設(shè)計(jì)出了一種特殊的水凝膠，把“定制細(xì)胞”和能發(fā)出遠(yuǎn)紅外光的小型LED燈都放入水凝膠中，再放入一個(gè)藍(lán)牙信號(hào)接收器。研究人員想，這樣，手機(jī)就可以通過藍(lán)牙來控制LED燈，照射之后激活定制細(xì)胞中的基因，達(dá)到控制血糖的目的了！這就是“智能控制器”的進(jìn)階2.0版本了。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將“組裝”好的水凝膠移植到了小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)水凝膠的性質(zhì)非常穩(wěn)定，對(duì)血糖水平的控制也和直接照射有同樣的效果！
QQ截圖20170427141849然而，這依然不是“最終版”，因?yàn)檠芯咳藛T還希望能夠更加“一條龍服務(wù)”。所以，他們又找來了有藍(lán)牙功能的血糖儀，血糖儀可以將測得的血糖數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)app中，app內(nèi)置了算法，可以對(duì)血糖水平進(jìn)行分析，然后與預(yù)設(shè)的“閾值”進(jìn)行對(duì)比，如果血糖“超標(biāo)”了，app就會(huì)發(fā)射信號(hào)“打開”LED燈了。app依然可以調(diào)節(jié)光強(qiáng)和照射時(shí)間，進(jìn)而控制胰島素或GLP-1的分泌量，實(shí)現(xiàn)對(duì)血糖的“智能化”控制。這就是最終的3.0版本了。
懷俄明大學(xué)的分子生物學(xué)家Mark Gomelsky教授在同期的《科學(xué) 轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》雜志上專門為這個(gè)研究撰寫了一篇評(píng)論文章[4]。他認(rèn)為，在人體上的應(yīng)用或許可以通過“LED手環(huán)”來實(shí)現(xiàn)，而不需要將LED燈植入體內(nèi)，而且這種方法還可以用來治療其他疾病。葉博士表示，他的終極目標(biāo)是“全自動(dòng)血糖監(jiān)測和糖尿病治療系統(tǒng)”，可以通過手機(jī)每天24小時(shí)持續(xù)監(jiān)測糖尿病患者的身體狀況[5]。想象一下，假如有一天這變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，對(duì)于糖尿病患者來說，無疑是一項(xiàng)“改變生活”的科技發(fā)明，我們期待這一天早日到來。
參考資料：
[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/
來源：奇點(diǎn)網(wǎng)（微信公眾號(hào)：geekheal_com）
