科學家用晶元上的器官和幹細胞技術的結合治療糖尿病

通過將兩項強大的技術結合起來，科學家們正在將糖尿病研究提升到一個全新的水平。哈佛大學(Harvard University)凱文·基特·帕克(KevinKit Parker)領導的一項研究表明，微流體和人類的β細胞已經整合到了「晶元上的孤島」(Isleton-a-Chip)中。這一新裝置使科學家在將胰島素細胞移植到病人體內之前，可以更容易地篩選出產生胰島素的細胞，測試胰島素刺激化合物，並研究糖尿病的基本生物學。

晶元上島的設計是受人類胰腺的啟發，在這種情況下，細胞島(「胰島」)接收血液中葡萄糖水平的連續信息，並根據需要調整它們的胰島素生產。

「如果我們想治療糖尿病，我們必須恢復一個人自己製造和提供胰島素的能力，」哈佛幹細胞研究所(HSCI)聯合主任、Xander大學幹細胞和再生生物學教授DouglasMelton解釋道。「β細胞是由胰腺製造的，它有測量血糖和分泌胰島素的功能，正常情況下，它們做得很好。但在糖尿病患者中，這些細胞不能正常工作。現在，我們可以利用幹細胞為它們製造健康的β細胞。但像所有移植一樣，要確保這些細胞能夠安全工作，需要大量的投入。」

在將β細胞移植到病人體內之前，必須對它們進行測試，以確定它們是否正常工作。目前的方法是基於20世紀70年代的技術：給予細胞葡萄糖以引起胰島素反應，收集樣本，添加試劑，並測量每種物質中存在多少胰島素。手工過程需要很長時間才能運行和解釋，以至於許多臨床醫生完全放棄了它。

這種新型的、自動化的、小型化的設備可以實時地給出結果，從而加快臨床決策的速度。

論文的第一作者、帕克實驗室的博士研究生亞倫·格利伯曼(Aaron Glieberman)說：「我們的設備將胰島排列成不同的線路，同時向每個胰島輸送一個葡萄糖脈衝，並檢測胰島素的產生量。」它將葡萄糖刺激和胰島素檢測結合在同一個流程中，因此它可以快速給臨床醫生提供可操作的信息。該設計還使用了適合大規模生產的材料，這意味著更多的人將能夠使用它。

「晶元上的小島讓我們監測捐贈或製造的胰島細胞是如何釋放胰島素的，就像體內的細胞一樣，」哈佛大學(Harvard)塔爾家族生物工程和應用物理教授帕克(Parker)說。「這意味著我們可以在治療糖尿病的細胞療法方面取得重大進展。該設備可以更容易地篩選刺激胰島素分泌的藥物，測試幹細胞衍生的β細胞，並研究胰島的基本生物學。目前還沒有其他質量控制技術能夠如此快速、準確地做到這一點。」

哈佛大學技術發展辦公室已經提出了與這項技術有關的專利申請，並正在積極探索商業化的機會。

「看到我們實驗室測量胰島功能的方法從單個細胞轉移到更大的細胞群，並被整合到一個可以在社區廣泛使用的設備中，這是令人興奮的，」佛羅里達州立大學的合著者邁克爾·羅珀說，他的實驗室專註於胰島的基本生物學。「現在，我們有了一種將葡萄糖輸送、胰島定位和捕獲、試劑混合和胰島素檢測集成在一起的裝置，所需試劑要少得多。因此，實驗室可以用同樣的成本進行更多的實驗，使用的過程要短得多，也容易得多。」

這項研究的第一作者、帕克實驗室的博士後本傑明·波普說：「我的主要興趣是糖尿病本身-我家裡的所有成年人都患有2型糖尿病，這也是我追求科學事業的原因。」「看到這項技術應用於糖尿病研究和移植篩查，我感到非常興奮，因為它為糖尿病提供了細胞療法。」

「這也是許多不同技術的完美結合，」波普補充說。「自動胰島捕獲系統背後的物理原理、微流控技術、實時感測器和生物化學，電子和數據採集組件-甚至軟體。整個設備和操作系統-整合了來自不同領域的很多東西，在這個過程中我學到了很多東西。」

除了應用於糖尿病之外，該裝置還有望用於其他組織和器官。Glieberman補充說：「我們可以修改核心技術，使其在一系列的微生理系統中感知功能。」「隨著不斷檢測細胞分泌物的能力，我們希望能夠更容易地探索細胞如何利用蛋白質信號進行溝通。這項技術最終可能會為診斷和治療的健康動態指標提供新的見解。」

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