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智能手机远程调控治疗糖尿病

我校“青年千人”叶海峰课题组在Science子刊封面发表文章


发布时间:2017-04-27


《科学》子刊封面文章发表此项研究成果

427日,国际著名学术期刊《科学转化医学》(Science Translational Medicine)4月26日以封面文章在线发表了华东师范大学生命科学学院上海市调控生物学重点实验室研究员、“青年千人”叶海峰团队的最新研究成果。该研究首次实现了通过智能手机超远程调控治疗糖尿病,有望成为未来个性化、数字化、全球化精准医疗新的风向标。

左:本研究通讯作者叶海峰研究员;右:本研究第一作者邵佳伟

  这篇题为“Smartphone-controlled optogenetically engineered cells enable semiautomatic glucose homeostasis in diabetic mice”的文章中指出,利用多学科交叉联合设计,结合电子工程、软件工程与合成生物工程学,研究人员开发了一种集糖尿病诊断和治疗为一体的诊疗新系统,首次实现通过智能手机超远程调控治疗糖尿病的目的。这项研究工作在国内合成生物学领域具有标志性意义。叶海峰研究员为该研究论文的唯一通讯作者,第一作者为华东师大2016级博士研究生邵佳伟。

集糖尿病诊断和治疗为一体的智能诊疗新系统

  近几年来,随着移动通讯技术的不断革新,智能手机得到了飞速的发展,从一个单纯的通话设备逐渐转变为集高清相机、电子银行、全球定位系统为一体的多功能电子设备。同时,智能手机也成为移动医疗的重要组成部分,其在血糖监控中已经有了应用。但是,目前智能手机对糖尿病患者仅有诊断和检测功能,无法实现对其治疗。因此,华东师大生命科学学院的叶海峰研究员课题组巧妙地将合成生物学与电子工程学相结合,开发了一种集糖尿病诊断和治疗为一体的智能诊疗新系统。(见下图)

通过智能手机控制远红光响应的工程化细胞达到糖尿病半自动化治疗的设计示意图

  该系统有两大功能特点:第一,研究人员可通过智能手机ECNU-TeleMed app 超远程控制远红光亮度来调控基因表达量;第二,糖尿病小鼠血糖高低信号可以被转化翻译成远红光亮度来调控基因表达量。

  首先,研究人员利用合成生物学理念,设计合成了远红光调控基因表达的定制化细胞,该定制化细胞在远红光的照射下,可以被激活表达任何想要的报告基因或药物蛋白,例如绿色荧光蛋白或胰岛素等。

  远红光调控基因表达控制系统设计示意图及其调控报告基因表达的动力学特征研究

远红光时空控制定制化细胞表达绿色荧光蛋白。可以实现用远红光在体外培养的单层细胞上任意写字。左图为细胞上方放有镂空ECNU字样的黑纸,右图为远红光激活细胞表达绿色荧光蛋白

  当研究人员将远红光控制胰岛素表达的定制化细胞移植到糖尿病小鼠皮下时,给予糖尿病小鼠直接远红光照射,可以激活皮下移植的细胞表达胰岛素并起到良好的降血糖效果。利用该治疗方法,糖尿病鼠只需要每天光照2-4小时,就可以把血糖维持在正常水平并长达半个月时间。此外,该治疗方法降血糖效果见效非常快,只需要光红光照射1-2小时,血糖就显著降低到正常水平。

远红光直接照射糖尿病小鼠皮肤,可激活皮下移植的光响应的工程化细胞表达胰岛素,从而达到降血糖治疗糖尿病的效果。

  研究人员采用了多学科联合设计方法,进一步设计开发了糖尿病诊疗一体化智能控制系统。小鼠的血糖值由血糖仪读取获得后,可通过蓝牙无线发送到定制的智能控制器(Smart Controller)和智能手机中。当血糖值高于预先设定的安全血糖阈值时,智能控制器可以点亮移植在小鼠体内含有定制化细胞的水凝胶LED复合体(Hydroge LED),从而激活定制化细胞产生胰岛素或GLP-1达到降血糖并维持血糖稳定的作用,最终实现自动诊断、精准治疗的目的。

  此外,当智能手机中显示治疗异常时,亦可以强制控制智能控制器,进行优化方案治疗。当研究者们在糖尿病模型鼠中植入Hydroge LED时,实现了对糖尿病小鼠诊疗一体化的智能治疗,并取得了良好的治疗效果,为今后临床上诊疗一体化、精准治疗糖尿病提供了新思路与新策略。

智能手机ECNU-TeleMed app 可远程控制移植在糖尿病小鼠体内的细胞-水凝胶-LED复合体(HydrogeLED implant)的LED亮度,从而控制胰岛素的表达量来达到精准治疗糖尿病的目的

  该研究得到了同行评审专家高度评价,认为这一研究是“突出的典范(an outstanding example)”,是一项“令人惊奇的研究(an amazing study)”。

  本研究工作获得了国家科技部干细胞重大专项、国家自然科学基金委、上海市科委、青年千人计划和华东师范大学人才队伍启动经费资助。此外,该研究也获得了我校研究生院授予2016级博士研究生薛帅(本文第二作者)“优秀博士学位论文培育资助项目”的资助。


通讯作者简介:

  叶海峰研究员于2007.8-2013.12在瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)从事博士和博士后研究工作。于2014年2月底回到母校华东师范大学受聘为“紫江优秀青年学者”,担任生命科学学院,上海市调控生物学重点实验室研究员、博士生导师。

我校“青年千人”叶海峰研究员

  叶海峰研究员主要从事合成生物学与生物医学工程领域的研究。2014年入选中央组织部第十一批“青年千人计划”,2015年获得国家自然科学基金委“优青”资助。叶海峰博士回国工作三年期间,带领自己的研究生团队以通讯作者身份在Science Translational Medicine, Nature Biomedical Engineering, Molecular Therapy 等高影响力杂志发表研究成果。



来源|生命科学学院 摄影|陈颖 编辑|吕安琪



作者: | 信息来源:新闻网 | 浏览次数:1227

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