糖尿病是一種常見的慢性病,個性化精準(zhǔn)治療是極具吸引力的。精確控制劑量對藥物療法至關(guān)重要。在概念驗證研究中,植入封裝設(shè)計工程細(xì)胞來微調(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?;虮磉_(dá)或囊泡分泌電刺激需要生物電界面來管理電極和電敏設(shè)計細(xì)胞之間的電傳導(dǎo),以及通過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)是一個閉環(huán)恒定過程。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放,將導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2 +激增并同時從細(xì)胞內(nèi)儲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,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,提出了一種無輔因子的生物電子界面理論,該界面連接了人無線電刺激的人體細(xì)胞和人工合成的啟動子驅(qū)動的轉(zhuǎn)基因表達(dá),或使囊泡儲藏庫內(nèi)快速分泌表達(dá)蛋白治療。電遺傳學(xué)控制通過耦合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的所需輸出來實現(xiàn)。針對I型糖尿病,他們設(shè)計了電敏感的人類β細(xì)胞,定制生物電子設(shè)備內(nèi)部的β細(xì)胞可無線電刺激實時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,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)表在國際頂級期刊《Science》上(下附原文鏈接)。同時,該文也被特別轉(zhuǎn)載在其新聞欄以題為“Remote activation of cellular signaling”。

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【圖文解析】

1. 生物電子植入物的設(shè)計:

該文將電刺激的基因表達(dá)轉(zhuǎn)換為臨床概念驗證的生物電子植入物,需要對電極和電刺激進(jìn)行更緊湊的設(shè)計。在轉(zhuǎn)錄控制裝置中,簡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)。在較短的脈沖長度下,對pMX57(PNFAT3-SEAP-pA)轉(zhuǎn)染的ElectroHEK細(xì)胞進(jìn)行電刺激,會導(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數(shù)量級。(圖3,D和E)。

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圖3. 體外生物電子植入物的設(shè)計和功能性

 

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)計了一種無線生物電子植入物。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),該電子開關(guān)盤產(chǎn)生方形單極脈沖。生物電子植入物的對照運行驗證了pMX57轉(zhuǎn)染的ElectroHEK細(xì)的無線電刺激控制SEAP表達(dá)(圖4C)。

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圖4. 體外生物電子植入物外觀示意圖

 

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物細(xì)胞工程化(圖5A),作者通過選擇葡萄糖敏感的缺點(圖6,E和F),從胰腺β細(xì)胞系1.1E7衍生了一個單克隆種群INSVesc。,但保留了囊泡胰島素分泌機(jī)制。實際上,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。

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圖5. 電遺傳β細(xì)胞工程

 

作者通過電刺激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)光來描述基于去極化的胰島素釋放動力學(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)。

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圖6. 體外Electroβ細(xì)胞的功能化

 

3. 無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:

從儲存庫中釋放胰島素可以改善反應(yīng)動力學(xué),并在餐后迅速恢復(fù)血糖穩(wěn)態(tài)。到目前為止,用于治療實驗性糖尿病的設(shè)計都是基于細(xì)胞的概念驗證策略,集中于轉(zhuǎn)錄控制,轉(zhuǎn)錄控制被認(rèn)為太慢,無法應(yīng)對餐后血糖激增。對于OptoHEK細(xì)胞,觀察到了相似的性能。相反,當(dāng)置于無線生物電子植入物中時(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小時后顯示峰值信號,在2小時后恢復(fù)到基線(圖7C)。還可以在更長的時間內(nèi)控制血糖,而沒有任何低血糖的跡象(圖7D)。

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圖7. 患有1型糖尿病小鼠的含Electroβ細(xì)胞生物電子植入物的比較和分析

 

【陳述總結(jié)】

該文通過生物電子植入物內(nèi)部的電敏設(shè)計器,細(xì)胞能以無線電方式刺激胰島素釋放,與此同時能夠迅速恢復(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生物藥物釋放進(jìn)行編程的無線電子設(shè)備,并通過設(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,有望為針對個人優(yōu)化的先進(jìn)精密醫(yī)療保健打開許多新的機(jī)會。

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