基于直流激活调控技术的电基因接口为医学干预提供重要技术支持

为了寻找更有效的1型糖尿病治疗方法，科学家们一直在努力寻找新的技术和治疗手段。最近，一项重要的实验性研究在这方面取得了有趣的突破。这项新研究的背后是一种名为“电流控制基因”的新型技术，其基本概念可以追溯到20世纪80年代。当时，研究人员开始在微生物领域开发这一概念，希望通过电刺激或电流来控制微生物细胞中的基因表达和生物活动。这种“电学世界”和“生物学世界”的交叉研究为后来的生物电子学和生物医学领域的发展奠定了基础。新研究在20世纪80年代的基础上，采用类似的概念，但将其应用于人类细胞。

 

近期，苏黎世联邦理工学院的Martin Fussenegger博士等人，通过基因工程创造出一种对电流刺激作出反应的人类细胞，并在小鼠体内进行了概念验证实验，通过电流刺激植入的基因工程细胞，成功调控了血糖水平。相关论文以“An electrogenetic interface to program mammalian gene expression by direct current”为题，发表在Nature Metabolism期刊上。该论文第一作者是苏黎世联邦理工学院的黄金波博士。

发展电基因接口

研究团队开发了一种名为直流（DC）激活调控技术（DART）的电基因调控技术。该技术通过使用低电压直流电在人类细胞中快速产生自由电子和自由基物质，从而在低剂量下无中介物质地产生活性氧自由基（ROS）。研究团队设计了一个电基因接口，使得人类细胞能够对直流电刺激做出反应，并实现DC可调的基因调控。通过对人类胚胎肾细胞（HEK293）进行实验，研究人员证明了通过对基因组进行重组，使细胞对电生活性氧自由基产生过敏，从而实现直接的、无需辅因子的DC控制的基因表达调节。通过将转录因子NRF2重构到合成抗氧化反应元件（ARE）的启动子上，研究人员实现了对治疗性基因（如胰岛素基因）的直接调节。

图2 哺乳动物细胞中直流激活转基因表达开关的设计

1型糖尿病治疗的潜在应用为了验证这项技术的可行性，研究团队在1型糖尿病小鼠模型中应用DART技术实现了胰岛素表达的遥控调节。通过每天一次在皮下植入的基因工程细胞上使用世界卫生组织（WHO）批准和美国食品药品监督管理局（FDA）许可的针灸针电极进行4.5 V直流电10秒的刺激，成功地触发了足够的胰岛素产生，从而减轻了餐后血糖波动并恢复了正常的血糖水平。这意味着这项技术有望用于1型糖尿病患者的治疗，通过可穿戴电子设备直接干预代谢过程。

图3 DART系统治疗1型糖尿病小鼠的适应性和验证

总之，该论文介绍了一种名为直流激活调控技术（DART）的电基因接口，该技术能够在人类细胞中实现通过电池提供的直流电刺激来介导、时间和电压依赖的转基因表达。这种DART技术利用直流电源产生无毒性水平的活性氧自由基，通过生物传感器可逆地微调合成启动子。在1型糖尿病小鼠模型的概念验证实验中，成功触发了胰岛素的释放并恢复了正常血糖水平。虽然这项技术还处于早期阶段，并需要更多的研究和验证，但其前景非常令人鼓舞。该技术有望使可穿戴电子设备能够直接进行代谢干预和基因疗法，为个性化医学干预提供了重要的技术支持。

        责任编辑：彭菁