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光學工程
智能手機遠程調控治療糖尿病


《科學》子刊封面文章發表此項研究成果

4月27日,國際著名學術期刊《科學轉化醫學》(Science Translational Medicine)4月26日以封面文章在線發表了華東師范大學生命科學學院上海市調控生物學重點實驗室研究員、“青年千人”葉海峰團隊的最新研究成果。該研究首次實現了通過智能手機超遠程調控治療糖尿病,有望成為未來個性化、數字化、全球化精準醫療新的風向標。


左:本研究通訊作者葉海峰研究員;右:本研究第一作者邵佳偉

這篇題為“Smartphone-controlled optogenetically engineered cells enable semiautomatic glucose homeostasis in diabetic mice”的文章中指出,利用多學科交叉聯合設計,結合電子工程、軟件工程與合成生物工程學,研究人員開發了一種集糖尿病診斷和治療為一體的診療新系統,首次實現通過智能手機超遠程調控治療糖尿病的目的。這項研究工作在國內合成生物學領域具有標志性意義。葉海峰研究員為該研究論文的唯一通訊作者,第一作者為華東師大2016級博士研究生邵佳偉。


集糖尿病診斷和治療為一體的智能診療新系統

近幾年來,隨著移動通訊技術的不斷革新,智能手機得到了飛速的發展,從一個單純的通話設備逐漸轉變為集高清相機、電子銀行、全球定位系統為一體的多功能電子設備。同時,智能手機也成為移動醫療的重要組成部分,其在血糖監控中已經有了應用。但是,目前智能手機對糖尿病患者僅有診斷和檢測功能,無法實現對其治療。因此,華東師大生命科學學院的葉海峰研究員課題組巧妙地將合成生物學與電子工程學相結合,開發了一種集糖尿病診斷和治療為一體的智能診療新系統。(見下圖)


通過智能手機控制遠紅光響應的工程化細胞達到糖尿病半自動化治療的設計示意圖

該系統有兩大功能特點:第一,研究人員可通過智能手機ECNU-TeleMed app 超遠程控制遠紅光亮度來調控基因表達量;第二,糖尿病小鼠血糖高低信號可以被轉化翻譯成遠紅光亮度來調控基因表達量。

首先,研究人員利用合成生物學理念,設計合成了遠紅光調控基因表達的定制化細胞,該定制化細胞在遠紅光的照射下,可以被激活表達任何想要的報告基因或藥物蛋白,例如綠色熒光蛋白或胰島素等。



遠紅光調控基因表達控制系統設計示意圖及其調控報告基因表達的動力學特征研究


遠紅光時空控制定制化細胞表達綠色熒光蛋白。可以實現用遠紅光在體外培養的單層細胞上任意寫字。左圖為細胞上方放有鏤空ECNU字樣的黑紙,右圖為遠紅光激活細胞表達綠色熒光蛋白

當研究人員將遠紅光控制胰島素表達的定制化細胞移植到糖尿病小鼠皮下時,給予糖尿病小鼠直接遠紅光照射,可以激活皮下移植的細胞表達胰島素并起到良好的降血糖效果。利用該治療方法,糖尿病鼠只需要每天光照2-4小時,就可以把血糖維持在正常水平并長達半個月時間。此外,該治療方法降血糖效果見效非常快,只需要光紅光照射1-2小時,血糖就顯著降低到正常水平。


遠紅光直接照射糖尿病小鼠皮膚,可激活皮下移植的光響應的工程化細胞表達胰島素,從而達到降血糖治療糖尿病的效果。

研究人員采用了多學科聯合設計方法,進一步設計開發了糖尿病診療一體化智能控制系統。小鼠的血糖值由血糖儀讀取獲得后,可通過藍牙無線發送到定制的智能控制器(Smart Controller)和智能手機中。當血糖值高于預先設定的安全血糖閾值時,智能控制器可以點亮移植在小鼠體內含有定制化細胞的水凝膠LED復合體(Hydroge LED),從而激活定制化細胞產生胰島素或GLP-1達到降血糖并維持血糖穩定的作用,最終實現自動診斷、精準治療的目的。

此外,當智能手機中顯示治療異常時,亦可以強制控制智能控制器,進行優化方案治療。當研究者們在糖尿病模型鼠中植入Hydroge LED時,實現了對糖尿病小鼠診療一體化的智能治療,并取得了良好的治療效果,為今后臨床上診療一體化、精準治療糖尿病提供了新思路與新策略。



智能手機ECNU-TeleMed app 可遠程控制移植在糖尿病小鼠體內的細胞-水凝膠-LED復合體(HydrogeLED implant)的LED亮度,從而控制胰島素的表達量來達到精準治療糖尿病的目的

該研究得到了同行評審專家高度評價,認為這一研究是“突出的典范(an outstanding example)”,是一項“令人驚奇的研究(an amazing study)”。

本研究工作獲得了國家科技部干細胞重大專項、國家自然科學基金委、上海市科委、青年千人計劃和華東師范大學人才隊伍啟動經費資助。此外,該研究也獲得了我校研究生院授予2016級博士研究生薛帥(本文第二作者)“優秀博士學位論文培育資助項目”的資助。

通訊作者簡介:

葉海峰研究員于2007.8-2013.12在瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zürich)從事博士和博士后研究工作。于2014年2月底回到母校華東師范大學受聘為“紫江優秀青年學者”,擔任生命科學學院,上海市調控生物學重點實驗室研究員、博士生導師。


我校“青年千人”葉海峰研究員

葉海峰研究員主要從事合成生物學與生物醫學工程領域的研究。2014年入選中央組織部第十一批“青年千人計劃”,2015年獲得國家自然科學基金委“優青”資助。葉海峰博士回國工作三年期間,帶領自己的研究生團隊以通訊作者身份在Science Translational Medicine, Nature Biomedical Engineering, Molecular Therapy 等高影響力雜志發表研究成果。


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