Science：開發出分泌胰島素的人工β細胞

2016年12月10日/生物谷BIOON/--在一項新的研究中，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院和中國華東師範大學等機構的研究人員利用一種簡單明了的工程學方法製造出人工β細胞。

這些人工β細胞能夠做天然的β細胞做的任何事情：它們測量血液中的葡萄糖濃度，產生足夠的胰島素來有效地降低血糖水平。相關研究結果發表在2016年12月9日那期Science期刊上，論文標題為「β-cell–mimetic designer cells provide closed-loop glycemic control」。

之前的方法都是基於幹細胞開展的：科學家們通過加入生長因子或整入複雜的基因網路允許它們分化為β細胞。

對HEK細胞進行少量重編程

對研究人員的新方法而言，他們使用一種基於人腎細胞的細胞系，即HEK細胞。他們使用了HEK細胞膜中天然的葡萄糖轉運蛋白和鉀離子通道。他們利用一種電壓依賴性鈣離子通道、一種產生胰島素或GLP-1的基因提高它們的功能，其中GLP-1是一種參與血糖水平調節的激素。

電壓開關導致胰島素產生

在這些人工β細胞中，HEK細胞的天然葡萄糖轉運蛋白攜帶來自血液中的葡萄糖到細胞內部。當血糖水平超過某個閾值時，鉀離子通道關閉。這會顛倒細胞膜上的電壓分布，導致鈣離子通道打開。隨著鈣離子流進，它觸發HEK細胞內在的信號轉導級聯事件，導致胰島素或GLP-1的產生和分泌。

在糖尿病模式小鼠體內對這些人工β細胞的初步測試揭示出這些細胞是非常有效的：論文共同通信作者、蘇黎世聯邦理工學院生物系統科學與工程系Martin Fussenegger教授說，「它們要比迄今為止世界上任何地方獲得的任何方法更長時間地更好地發揮功能。」當植入到糖尿病模式小鼠體內時，這些經過修飾的HEK細胞在三周內可靠地發揮作用，產生足夠數量的調節血糖水平的胰島素或GLP-1。

有益的建模

在開發這些人工β細胞中，研究人員使用了蘇黎世聯邦理工學院生物系統科學與工程系教授J?rg Stelling實驗室構建的一種計算機模型。這種模型允許對細胞行為進行預測，其中這些細胞行為能夠通過實驗加以驗證。Fussenegger說，「來自這些實驗的數據和利用這種模型計算出的數值幾乎是相同的。」

Fussenegger和他的團隊長期以來努力為糖尿病治療提供基於生物技術的解決方案。幾個月之前，他們利用來自個人脂肪組織的幹細胞製造出β細胞。然而，這種技術是昂貴的，這是因為β細胞不得不為每名病人單獨地製造。這種新的方法更加廉價，這是因為這種系統適合於所有的糖尿病病人。

投入市場仍有很長的路要走

不過，人們仍未確定這些人工β細胞何時會投入市場。在它們能夠用於人體中之前，它們首先不得不經歷多次臨床試驗。這種類型的臨床試驗是昂貴的，而且經常會持續好幾年。Fussenegger估計道，「如果我們的人工β細胞清除了所有的這些障礙，那麼它們可能能夠在10年內投入市場。」（生物谷 Bioon.com）

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

Mingqi Xie1, Haifeng Ye2, Hui Wang1, Ghislaine Charpin-El Hamri3, Claude Lormeau1,4, Pratik Saxena1, J?rg Stelling1,4,*, Martin Fussenegger1,5,*

doi:10.1126/science.aaf4006