前沿：我国科学家研发“生物黑科技装备”，一枚芯片即有效降糖

原创 时光派研究院 时光派

我们的情绪、精力、健康状态甚至世界观，都是由体内各种化学物质决定，之所以出现精神、身体的负面情况，多半是某些功能细胞未在对的时间分泌对的物质。

倘若不远将来，我们可以用智能程序指挥身体激素分泌，让其“规范化”、“健康化”，一定可以预防大量疾病，或个体化治疗诸多“疑难杂症”。

这个愿想正越来越近～

上周末，《Science》杂志披露了一个汇集西湖大学、苏黎世联邦理工、华东师范大学顶尖科学家成果的“生物黑科技装备”：仅需一个 “芯片”，即可用电子设备在体外控制动物体内的激素分泌，最终达到控制、治疗疾病的目的。

图-皮下就是平时打针做皮试的位置

芯片外观如下图，它的体积小于硬币，却是个五脏俱全的生物电子设备；

因为体积小，该芯片可以顺利植入活体动物的皮下，是不是有点马斯克追求的“人机互融共生”那味儿了？

图-黑科技皮下芯片，虽丑但强

接下来，科学家试着用这个芯片治疗糖尿病。

I型糖尿病的病因是胰岛β细胞的胰岛素分泌不足，科学家把一种基因改造后的人造胰岛β细胞放入芯片左侧圆槽，随后将其整块埋入糖尿病小鼠背部的皮下位置。

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人工埋这细胞有啥意义？

要知道，普通β细胞需经历：

环境中的细胞介质、辅助因子、信号因→β细胞膜去极化→电压依赖钙通道激活→环境中的钙离子内流→基因表达转变

这一系列复杂步骤，才能最终分泌胰岛素，而糖尿病患体内这些过程多半是受损的、不灵通的！

本研究所用的人工β细胞则无需上述复杂的“环境要求”，芯片释放指令后直接引起钙离子内流，随后人工细胞分泌胰岛素。

因此，只需把芯片激活程序写入一个体外信号发射器（可看做芯片的“遥控板”），在需要调控血糖时（例如饭前）开启发射器，即可无线遥控芯片，最终降低血糖。

图-改造胰岛β细胞示意图

目前I型糖尿病所注射的速效胰岛素，大约在15-20分钟后小时后起效。

本研究这款智能芯片起效时间也与之非常接近：打开发射器仅10分钟，小鼠体内芯片便被激活，15分钟后，小鼠血糖开始下降。

图-实时监控下的小鼠血糖

听起来是不是很激动人心？不用打针，不用服药，手指头点一点，就能向体内发送生物信号，改变整个身体的糖代谢状态——就像发微信一般轻松简单。

然而目前该设备只在动物身上取得成功，想要运用于人类、惠及大众，还需升级换代，解决2个明显“缺陷”：

1、不够便携

首先是不够便携，植入式芯片本身挺小巧（对比下图民间生物黑客手机般大的设备......），但与之配套的体外信号发射器体积较大，且需要我们贴身携带（类似于蓝牙耳机与手机），这感觉就和一直背着24小时心电图监测仪似的。

常言道“有市场就会有改进”，计算机就是短短半个世纪就从一间房变成手掌般大小的，我们也期望该设备能进化得更轻便实用。

图-民间“生物黑客”的植入设备，小巧便携真的很重要！

2、芯片消耗过快

第二个显著缺点，就是芯片消耗过快。

在本论文中，芯片池中的人造β细胞使用3周后会耗竭，必须人为更换，虽然对比每日注射胰岛素（需至少4次），I型糖尿病患者“皮肉之苦”的频率降低了，但若能进一步研得更长使用寿命的芯片，将会大大提高这类产品的依从性和普及率。

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那，为什么这个“又大又疼”的设备会得到《Science》杂志的重点解读呢？

原因是科学家们看好该技术“进一步优化”后的潜在运用空间！

正如咱开头所说，人体所有的舒适与不适，都源于神经-内分泌系统一次次“打破稳态”和“重建稳态”，只要我们能基因编辑造出不同组织器官的细胞（甚至用干细胞技术获得年轻的人源内分泌细胞），就可“复制”该项研究成果到任意疾病治疗领域。

图-神经和内分泌系统是交互作用的

来进行一次不完整的“畅想”！升级版的发射器，可直接省去笨重的“遥控板”，将程序写入手机APP，只需开启或关闭该APP，就可一键调控体内多种激素。

从而治疗：甲状腺素不足引起的甲减，垂体生长激素不足引起的侏儒症，性激素不足导致的性欲减退、不孕不育，瘦素、饥饿素分泌紊乱所致的肥胖，以及松果体褪黑素不足引起的睡眠障碍，神经递质紊乱引发的神经-精神疾病等等等等！

图-激素分泌相关的疾病（部分）

时光派点评

这篇研究报道的创新之处在于，科学家通过基因改造，得到了可人为操纵的β细胞，这些细胞放入病患体内后，像提线木偶般“听话”，并成功替代已病的“原厂部件”进行工作。

除了在治病方面有巨大潜力，该技术也有望用于延缓衰老：如果能改造更多类型的体细胞（依赖于基因编辑技术进一步成熟！），那么很多器官在衰老过程中发生萎缩、凋亡的现象就变得不再可怕：例如通过弥补胸腺激素，延迟免疫系统甚至全身衰老；通过代偿性腺的分泌功能，延缓生殖衰老......

但同样的，我们应看到该技术背后的风险。人体内部是相对“封闭”的，一旦植入数字设备，就意味着把生命活动与计算机程序融合，这些程序能够被编写、矫正，也就自然能被攻击、篡改。想象一下：黑客们像黑星巴克WIFI一样入侵你的信号发射器(或手机APP)，在你极限运动时篡改你的糖、脂肪代谢，让肌肉细胞能量“供不应求”，怕是要轻则头晕手软，重则有生命危险了~

THE END

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参考文献

Krzysztof Krawczyk et al., (2020), Electrogenetic cellular insulin release for real-time glycemic control in type 1 diabetic mice, Science, DOI: 10.1126/science.aau7187

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