研究人员设计了被光激活的糖尿病胰岛素产生细胞

马萨诸塞州梅德福/索默维尔(2019年11月1日)-塔夫茨大学的研究人员已经将工程化的胰岛β细胞移植到糖尿病小鼠体内，然后通过将其暴露于光照下，使它们产生的胰岛素水平是典型水平的2至3倍。光开关细胞被设计为补偿在糖尿病个体中发现的较低的胰岛素产生或降低的胰岛素反应。ACS Synthetic Biology发表的研究表明，无需药理干预，即可在糖尿病小鼠模型中控制葡萄糖水平。

胰岛素是一种激素，在精确控制循环葡萄糖的水平(细胞所使用的必需燃料)中起着核心作用。根据疾病控制与预防中心(CDC)的数据，糖尿病影响了超过3000万美国人。在II型糖尿病(该病的最常见形式)中，人体细胞对胰岛素的反应效率低下，结果，循环中的葡萄糖可能变得危险地高(高血糖)，而胰腺无法产生足够的胰岛素来补偿。在I型糖尿病中，β细胞是人体中唯一产生胰岛素的细胞，被免疫系统破坏，导致激素完全缺乏。

目前的治疗方法包括给药可增强胰岛β细胞胰岛素产生的药物，或直接注射胰岛素以补充天然产生的供给。在这两种情况下，血糖的调节都是手动过程，在定期读取葡萄糖水平后进行药物或胰岛素干预，通常会导致峰值和峰值，这可能会产生有害的长期影响。

研究人员寻求开发一种新的方法来扩大胰岛素的产生，同时保持胰岛素释放与血液中葡萄糖浓度之间的重要实时联系。他们通过利用“光遗传学”来实现这一目标，“光遗传学”依赖于蛋白质，该蛋白质可根据需要随光照改变其活性。胰腺β细胞经过工程改造，该基因编码可光活化的腺苷酸环化酶(PAC)酶。PAC暴露于蓝光下时会产生分子环状单磷酸腺苷(cAMP)，这反过来会增强β细胞中葡萄糖刺激的胰岛素产生。胰岛素的产生可以增加两到三倍，但是只有当血糖量很高时。在低葡萄糖水平下，胰岛素的产生仍然很低。

研究人员发现，在蓝光照射下，将工程化的胰岛β细胞移植到糖尿病小鼠的皮肤下可提高葡萄糖的耐受性和调节性，降低高血糖症以及血浆胰岛素水平。

塔夫茨大学工程学院化学与生物工程学教授，该研究的相应作者伊曼纽尔·扎纳卡基斯(Emmanuel Tzanakakis)说：“这是一种向后的类比，但实际上我们是在使用光来打开和关闭生物开关。”“通过这种方式，我们可以在糖尿病患者的环境中帮助其更好地控制和维持适当的葡萄糖水平，而无需进行药理学干预。这些细胞自然地发挥胰岛素的生产作用，并且其中的调节回路也发挥同样的作用;我们只是增加了胰岛素的摄入量β细胞中的cAMP会暂时转移，以使它们仅在需要时才产生更多的胰岛素。”

蓝灯只是将开关从正常模式切换到升压模式。在许多生物系统中，正在探索利用光可活化蛋白来调节细胞功能的这种光遗传学方法，并为开发新的治疗方法提供了动力。

研究的第一作者，塔夫茨(Tftaks)Tzanakakis实验室的研究生Fan Zhang说：“使用光来控制治疗有许多优点。”“显然，这种反应是即时的;尽管胰岛素的分泌增加了，但正如我们的研究显示的那样，细胞所消耗的氧气量并没有显着变化。在涉及移植的胰腺细胞的研究中，缺氧是一个普遍的问题。”