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Science:瑞士学者发表人造胰岛β细胞研究取得重大突破

摘要 : 2016年12月9日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了瑞士苏黎世联邦理工大学合成生物学大师Martin Fussenegger教授实验室的一项关于人造胰岛细胞治疗糖尿病的突破性研究,该项技术有望在未来给糖尿病患者带来福音。

 2016年12月9日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了瑞士苏黎世联邦理工大学合成生物学大师Martin Fussenegger教授实验室的一项关于人造胰岛细胞治疗糖尿病的突破性研究,该项技术有望在未来给糖尿病患者带来福音。

随着人类生活水平及生活习惯的改变,糖尿病日益成为了严重危险人类健康的慢性疾病。据国际糖尿病联合会(The International Diabetes Federation)的估计,到2040年,全球糖尿病患者将会超过6.4亿人。目前,对糖尿病的治疗方法主要为口服降血糖药物或注射胰岛素,但是这种治疗方法需要反复检测血糖值和口服降血糖药物及注射胰岛素,给患者的生活带来了极大的不便。来自于瑞士苏黎世联邦理工大学和华东师范大学的研究者们人工设计、合成了一种可以取代胰岛β细胞的人造细胞(HEK-β),用来解决这一难题。

领导这一研究的为瑞士苏黎世联邦理工大学生物系统工程学院的Martin Fussenegger 教授。他们利用人类的肾脏细胞(HEK-293细胞),利用最简单、最直接的方法设计获得了具有正常β细胞功能的人工HEK-β细胞。这个细胞可以直接感受血液中葡萄糖,当血糖浓度超过一定阈值后,其可以分泌足够的胰岛素用来降血糖。

他们利用存在于HEK细胞膜上自然存在的葡萄糖转运蛋白和钾离子通道,并且结合电压门控的钙离子通道用来产生人工设计的胰岛素或胰高血糖素样肽(GLP-1),从而达到血糖调节的目的,其主要机制如下:存在于人工HEK-β细胞膜上的葡萄糖转运蛋白可以将血液中的葡萄糖转运到细胞内;当血液中的葡萄糖浓度达到一定阈值后,使得存在于人工HEK-β细胞膜上的钾离子通道关闭,引起人工HEK-β细胞膜膜电位发生改变而引起钙离子通道打开。由于钙离子的内流,触发细胞内的联级反应,使得人工HEK-β细胞分泌胰岛素或胰高血糖素样肽(GLP-1),从而达到调控血糖的功能。

之后,研究者们将人工HEK-β细胞移植到糖尿病模型鼠中,其展现出了极好的功效,移植的人工HEK-β细胞在糖尿病小鼠体内稳定地工作了3周,产生了足够的胰岛素用来维持小鼠血糖的稳定。该部分研究工作主要是由来自中国华东师范大学的叶海峰研究员负责完成。Martin Fussenegger 教授说:“他们的治疗效果比目前世界上任何一种治疗糖尿病的方法都好以及作用时间更长”。

这种新型治疗糖尿病的技术或许不久的将来会运用到临床治疗上,但是在此之前,他们将花费至少几年的时间来接受不同的临床实验来验证其效果和安全性。研究者认为:这种人工设计的HEK-β细胞在制备方法上非常简便,其功能效果也非常稳定,细胞的冷冻复苏都不会影响其生物学功能,为以后糖尿病临床治疗的应用奠定了坚实基础。

胰岛细胞2

图1:HEK-β 细胞示意图:细胞外的葡萄糖触发了依赖于糖酵解途径的膜电位去极化,激活了电压门控的钙离子通道,引起大量钙离子内流,引发胞内钙离子信号通路的联级反应,从而调节PNAFT表达胰岛素的分泌。

胰岛细胞3

原文链接:

β-cell–mimetic designer cells provide closed-loop glycemic control

原文摘要:

Chronically deregulated blood-glucose concentrations in diabetes mellitus result from a loss of pancreatic insulin-producing β cells (type 1 diabetes, T1D) or from impaired insulin sensitivity of body cells and glucose-stimulated insulin release (type 2 diabetes, T2D). Here, we show that therapeutically applicable β-cell–mimetic designer cells can be established by minimal engineering of human cells. We achieved glucose responsiveness by a synthetic circuit that couples glycolysis-mediated calcium entry to an excitation-transcription system controlling therapeutic transgene expression. Implanted circuit-carrying cells corrected insulin deficiency and self-sufficiently abolished persistent hyperglycemia in T1D mice. Similarly, glucose-inducible glucagon-like peptide 1 transcription improved endogenous glucose-stimulated insulin release and glucose tolerance in T2D mice. These systems may enable a combination of diagnosis and treatment for diabetes mellitus therapy.

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