華師大/西湖大學《Science》重磅:無線電控制精準治療I-型糖尿病,僅需植入硬幣大小的生物器件!

糖尿病是一種常見的慢性病,個性化精準治療是極具吸引力的。精確控制劑量對藥物療法至關重要。在概念驗證研究中,植入封裝設計工程細胞來微調蛋白治療劑的原位生產和系統遞送,以響應化學和物理信號。基因表達或囊泡分泌電刺激需要生物電界面來管理電極和電敏設計細胞之間的電傳導,以及通過去極化將電子信息轉換為蛋白質的產生和釋放。隨著遺傳學的出現,可以使用智能手機控制遺傳學生物醫學植入物,以上傳設計細胞的指令,產生並全身遞送治療劑量的胰島素生成肽的方法,進而控制血糖。血糖水平的調節是一個閉環恒定過程。胰腺β細胞釋放的胰島素涉及葡萄糖的吸收和代謝,三磷酸腺苷介導的鉀通道的封閉,質膜的去極化以及電壓門控鈣通道的開放,將導致細胞內Ca2 +激增並同時從細胞內儲泡中快速釋放胰島素以達到治療。

【研究成果】

近日,蘇黎世聯邦理工大學合成生物學大師Martin Fussenegger教授團隊,華東師范大學葉海峰研究員(優青) 和西湖大學解明岐研究員等研究者們共同合作,提出瞭一種無輔因子的生物電子界面理論,該界面連接瞭人無線電刺激的人體細胞和人工合成的啟動子驅動的轉基因表達,或使囊泡儲藏庫內快速分泌表達蛋白治療。電遺傳學控制通過耦合L型電壓門控通道CaV1.2的異位表達,和向內整流鉀離子通道Kir2.1的所需輸出來實現。針對I型糖尿病,他們設計瞭電敏感的人類β細胞,定制生物電子設備內部的β細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分鐘內達到峰值。結果表明,當植入皮下時,這種電觸發的囊泡釋放系統可恢復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計:

該文將電刺激的基因表達轉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行更緊湊的設計。在轉錄控制裝置中,簡單小型化的自由懸掛電極不能提供有效的電刺激。因此,作者設計瞭一種定制細胞工程培養插入物,該插入物在半透膜的每一側都包含電極,該電極具有單層電敏ElectroHEK細胞(圖3A)。在較短的脈沖長度下,對pMX57(PNFAT3-SEAP-pA)轉染的ElectroHEK細胞進行電刺激,會導致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量級。(圖3,D和E)。

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圖3. 體外生物電子植入物的設計和功能性

為瞭使體內電敏細胞能夠電刺激轉基因表達,作者還設計瞭一種無線生物電子植入物。將定制的裝有電極的細胞培養插入物點擊進入3D打印的FDA許可的聚酰胺外殼(圖4,A和B),該電子開關盤產生方形單極脈沖。生物電子植入物的對照運行驗證瞭pMX57轉染的ElectroHEK細的無線電刺激控制SEAP表達(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細胞提供電刺激的囊泡分泌:

為瞭使電刺激胰島素囊泡釋放的哺乳動物細胞工程化(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細胞系1.1E7衍生瞭一個單克隆種群INSVesc。,但保留瞭囊泡胰島素分泌機制。實際上,Electroβ細胞的電子顯微照片是一種穩定轉基因CaV1.2和Kir2.1通道組成型表達的INSVesc轉化(pKK66,PhEF1α-α1C-P2A-Kir2.1-pA; pMX251,PhEF1α-α2/δ1-P2A- β3-pA)和Proinsulin-NanoLuc(一種設計構建體,可在內分泌細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),顯示出讓人聯想到人胰島來源的β細胞的含胰島素顆粒(圖5,D和E)。另外,Electroβ細胞響應於KCl介導(圖5,B和C)或電刺激(圖6,A和B)膜去極化,顯示出良好相關的囊泡胰島素和NanoLuc分泌。

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圖5. 電遺傳β細胞工程

作者通過電刺激Electroβ細胞並記錄培養物上清液中相應的NanoLuc介導的發光來描述基於去極化的胰島素釋放動力學(圖6C)。電刺激後,10分鐘內達到NanoLuc峰值水平(圖6C)。最重要的是,Electroβ細胞未顯示任何葡萄糖敏感性胰島素的產生,從而確保瞭電刺激控制囊泡胰島素分泌,而不受血糖水平的幹擾(圖6,E和F)。

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圖6. 體外Electroβ細胞的功能化

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動力學,並在餐後迅速恢復血糖穩態。到目前為止,用於治療實驗性糖尿病的設計都是基於細胞的概念驗證策略,集中於轉錄控制,轉錄控制被認為太慢,無法應對餐後血糖激增。對於OptoHEK細胞,觀察到瞭相似的性能。相反,當置於無線生物電子植入物中時(圖4),Electroβ細胞可以在短暫的電刺激後在胰島素缺乏型1型糖尿病小鼠中重建餐後葡萄糖代謝,而不會引起降血糖偏移(圖7A),並且可能迅速降低電刺激後血糖水平恢復正常血糖(圖7B)。值得註意的是,電刺激僅在1小時後顯示峰值信號,在2小時後恢復到基線(圖7C)。還可以在更長的時間內控制血糖,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細胞生物電子植入物的比較和分析

【陳述總結】

該文通過生物電子植入物內部的電敏設計器,細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行編程的無線電子設備,並通過設備與植入細胞之間的直接通信,推進瞭遺傳學的方法,有望為針對個人優化的先進精密醫療保健打開許多新的機會。

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