Nature Metabolism利用电流控制基因：让细胞被电击，产生胰岛素

人类细胞已经被设计成能够对电流做出反应，这可能会被纳入未来的医疗设备中。

　　

经过基因工程改造的人类细胞在受到微电流刺激时会产生胰岛素，这种细胞有一天可能被用于开发更好的1型糖尿病治疗方法。

研究人员培育出了一种细胞，这种细胞能对活性氧(ROS)产生连锁反应，ROS就是通电时产生的不稳定的含氧自由基，最终开启了制造胰岛素所需的基因。

在一项概念验证实验中，他们将这种工程细胞植入小鼠体内，发现当给电针灸针施加电流时，这些细胞会释放出胰岛素。

该研究的合著者、苏黎世瑞士联邦理工学院的生物工程师Martin Fussenegger说，该研究结果发表在7月31日的《自然-代谢》杂志上，为这项技术有朝一日被纳入医疗植入物提供了希望。

伦敦帝国理工学院合成生物学家Rodrigo Ledesma Amaro（没有参与这项研究）说，这项技术“可以使用普通电池和较低的电压，与可植入设备兼容”。

电子基因开关

利用电来控制生物过程的想法早在20世纪80年代就出现了，当时研究人员开始利用微生物来发展这一概念。Fussenegger和他的团队一直致力于研究人类细胞，希望开发“电子世界和基因世界之间的接口”，Fussenegger说。这可以通过在植入细胞中开启或关闭特定基因来靶向遗传疾病，使它们能够传递关键的蛋白质。

例如，1型糖尿病患者很少或根本不分泌胰岛素，而胰岛素是控制人体血糖水平的关键激素。这种刺激细胞按需产生胰岛素的能力可以帮助那些患有这种疾病的人避免高血糖，防止血糖水平达到危险的高水平。

Fussenegger和他的同事们设计了胰岛素生成细胞，可以通过操纵它们对活性氧的反应来激活它们。这些有毒分子是在细胞代谢过程中自然产生的，但它们的形成也可以通过对细胞施加直流电来诱导。

贝尔格莱德大学研究ROS在疾病中的作用的Esma Isenovic说:“在低水平时，ROS可以作为一种重要的信号分子和基因表达的关键调节剂。”但在氧化应激过程中，当活性氧过量时，它们会攻击其他分子并破坏正常功能。为了避免这种情况，细胞通常会产生抗氧化蛋白来中和ROS。

在工程细胞中，研究人员通过将产生胰岛素的基因置于合成启动子序列之后，这样来“伪装”胰岛素基因。启动子序列是与抗氧化剂产生基因相关的DNA区域，在对活性氧的反应中被激活。该序列包含重复的“抗氧化反应元件”，在氧化应激过程中自然增强抗氧化蛋白的表达。

胰岛素植入

一旦作者证明了这种方法可行，他们就可以更进一步，将重新编程的人类细胞整合到一个装置中，植入患有高血糖的小鼠体内。他们用针将电流输送到细胞中，这些细胞位于皮下胶囊中。当该装置受到刺激时，动物的血液胰岛素水平升高，血糖水平恢复正常。胰岛素的释放量可以通过改变电流的长度和强度来控制。

该团队希望有一天这个系统可以被改编成由计算机或智能手机控制的可穿戴医疗设备。

但这项技术仍处于非常早期的阶段，在进行人体测试之前还需要做更多的工作。Isenovic说，现在考虑将其用于治疗还为时过早。她指出，下一步用更大的样本量在不同的小鼠模型中研究这项技术，将有助于“全面了解”该系统的潜在应用。

原文标题：

An electrogenetic interface to program mammalian gene expression by direct current