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科学家发现经光活化胰岛β细胞或能治疗糖尿病

来源:科技部 时间:2019/12/9 15:33:34

 

图片来源:Tufts University

  近日,美国塔夫茨大学的研究人员将工程化的胰岛β细胞移植到糖尿病小鼠中,然后通过将其暴露于光照下,使它们产生的胰岛素水平是典型胰岛素水平的2至3倍。这项发表在ACS Synthetic Biology上的研究表明,无需药理干预即可在糖尿病小鼠模型中控制葡萄糖水平。

  胰岛素是一种激素,它在精确控制体内循环的葡萄糖水平方面起着核心作用。在最为常见的2型糖尿病中,人体细胞对胰岛素的反应效率降低,从而导致体内循环的葡萄糖水平可能高到非常危险的程度(高血糖),而胰腺无法产生足够的胰岛素来补偿。在I型糖尿病中,人体中唯一产生胰岛素的β细胞被免疫系统破坏,导致胰岛素完全无法生成。

  目前的治疗方法包括使用可增强胰岛β细胞产生胰岛素的药物,或直接注射胰岛素以补充天然胰岛素生成不足的情况。在这两种情况下,血糖的调节都是手动过程,需要在定期读取葡萄糖水平后进行药物或胰岛素干预,这通常会导致峰值和谷值,从而产生有害的长期影响。

  研究人员希望开发一种新的方法来提升胰岛素生成量,同时使胰岛素释放与血糖浓度保持重要的实时联系。他们通过利用“光遗传学”技术来实现这一目标,该技术依赖于随光照改变活性的蛋白质。

  胰腺β细胞经过工程改造,携带了一种能够编码光活化腺苷酸环化酶(PAC)的基因。PAC暴露于蓝光下时会产生环腺苷酸分子(cAMP),这反过来会增强β细胞中葡萄糖刺激的胰岛素产生,使胰岛素的生成量可以增加两到三倍,但是只有当血糖量很高时胰岛素才会增加。在低葡萄糖水平下,胰岛素的生成量仍然很低。这就避免了糖尿病治疗的一个共同缺点,即治疗可能过度补偿胰岛素,使患者处于有害甚至危险的低血糖状态(低血糖症)。

图片来源:Tufts University

  研究人员发现,在蓝光照射下,经工程改造的胰岛β细胞移植到糖尿病小鼠的皮肤下可提高葡萄糖的耐受性和调节水平,减轻高血糖症状并提升血浆中的胰岛素水平。

  该研究通讯作者、塔夫茨大学工程学院化学与生物工程学教授Emmanuel Tzanakakis说:“这是一种逆向类比,但实际上我们使用光来打开和关闭生物开关。通过这种方式,我们可以在不使用药物干预的情况下更好地控制患者的病情并维持合适的血糖水平。这些细胞能够自然地完成胰岛素生成工作,并且其中的调节回路也发挥同样的作用。我们只是暂时地提升了β细胞中的cAMP,以使其仅在身体需要时才产生更多的胰岛素。”

  蓝光只是将开关从正常模式切换到增强模式。研究人员正在探索在多种生物系统中利用光活化蛋白来调节细胞功能的这种光遗传学方法,这为开发新的治疗方法提供了动力。

  研究第一作者、Tzanakakis实验室的研究生Fan Zhang说:“使用光来控制治疗有许多优点。显然,这种反应是即时的。尽管胰岛素的分泌增加了,但正如我们的研究显示的那样,细胞的耗氧量并没有发生明显变化。在涉及移植胰腺细胞的研究中,缺氧是一个普遍的问题。”

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.9b00262

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