在一項新的研究中，來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和中國華東師范大學(xué)等機構(gòu)的研究人員利用一種簡單明了的工程學(xué)方法制造出人工β細胞。
這些人工β細胞能夠做天然的β細胞做的任何事情：它們測量血液中的葡萄糖濃度，產(chǎn)生足夠的胰島素來有效地降低血糖水平。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2016年12月9日那期Science期刊上，論文標(biāo)題為“β-cell–mimetic designer cells provide closed-loop glycemic control”。
之前的方法都是基于干細胞開展的：科學(xué)家們通過加入生長因子或整入復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)允許它們分化為β細胞。
對HEK細胞進行少量重編程
對研究人員的新方法而言，他們使用一種基于人腎細胞的細胞系，即HEK細胞。他們使用了HEK細胞膜中天然的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白和鉀離子通道。他們利用一種電壓依賴性鈣離子通道、一種產(chǎn)生胰島素或GLP-1的基因提高它們的功能，其中GLP-1是一種參與血糖水平調(diào)節(jié)的激素。
電壓開關(guān)導(dǎo)致胰島素產(chǎn)生
在這些人工β細胞中，HEK細胞的天然葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白攜帶來自血液中的葡萄糖到細胞內(nèi)部。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，它觸發(fā)HEK細胞內(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。
在糖尿病模式小鼠體內(nèi)對這些人工β細胞的初步測試揭示出這些細胞是非常有效的：論文共同通信作者、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物系統(tǒng)科學(xué)與工程系Martin Fussenegger教授說，“它們要比迄今為止世界上任何地方獲得的任何方法更長時間地更好地發(fā)揮功能。”當(dāng)植入到糖尿病模式小鼠體內(nèi)時，這些經(jīng)過修飾的HEK細胞在三周內(nèi)可靠地發(fā)揮作用，產(chǎn)生足夠數(shù)量的調(diào)節(jié)血糖水平的胰島素或GLP-1。
有益的建模
在開發(fā)這些人工β細胞中，研究人員使用了蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物系統(tǒng)科學(xué)與工程系教授Jörg Sling實驗室構(gòu)建的一種計算機模型。這種模型允許對細胞行為進行預(yù)測，其中這些細胞行為能夠通過實驗加以驗證。Fussenegger說，“來自這些實驗的數(shù)據(jù)和利用這種模型計算出的數(shù)值幾乎是相同的。”
Fussenegger和他的團隊*以來努力為糖尿病治療提供基于生物技術(shù)的解決方案。幾個月之前，他們利用來自個人脂肪組織的干細胞制造出β細胞。然而，這種技術(shù)是昂貴的，這是因為β細胞不得不為每名病人單獨地制造。這種新的方法更加廉價，這是因為這種系統(tǒng)適合于所有的糖尿病病人。
投入市場仍有很長的路要走
不過，人們?nèi)晕创_定這些人工β細胞何時會投入市場。在它們能夠用于人體中之前，它們首先不得不經(jīng)歷多次臨床試驗。這種類型的臨床試驗是昂貴的，而且經(jīng)常會持續(xù)好幾年。Fussenegger估計道，“如果我們的人工β細胞清除了所有的這些障礙，那么它們可能能夠在10年內(nèi)投入市場。”（生物谷 Bioon.com）
