精准调节基因表达，只用三节电池和两根针灸针...

▎药明康德内容团队编辑

近日发表在《自然-代谢》上的最新研究中，科学家们构建了一款用电池驱动的医疗器械，可以刺激基因表达，在糖尿病小鼠模型中，它可以促使细胞生产胰岛素。这一研究打开了未来使用可佩戴设备调控基因和细胞疗法的大门。

可佩戴电子设备已经被用于监控体力活动和血糖水平等健康指标，但它们目前还不能用于直接改变基因表达。为了让电流能够用于调控基因表达，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究团队设计出一种名为直流电驱动调节技术（DART）的器械。它用直流电刺激细胞生成活性氧（ROS），通常ROS与炎症相关，水平过高对身体有害。不过科学家们此前的研究已经发现，用电极输出低压直流电，可以激发细胞产生低水平的ROS，这种水平的ROS不会产生毒性。

同时，研究人员设计了对ROS敏感的启动子序列，让启动子序列驱动的基因表达受到ROS水平的调节。这样一来，直流电刺激就可以通过ROS的释放来迅速和有效地调节基因表达水平。

▲DART的设计和作用机理（图片来源：参考资料[1]）

在体外实验中，这一技术可以有效地激活培养在细胞皿里的细胞的基因表达。为了验证这一技术能否在动物体内用于激活基因表达，研究人员将表达胰岛素的细胞植入糖尿病模型小鼠中，然后用DART来刺激基因表达。值得一提的是，这款器械只需要两根针灸针作为探针，可以用超市里就可以买到的普通电池来驱动，具有非常广泛的可及性。体内实验结果显示，接受这一系统电刺激的动物血液中胰岛素水平与对照组相比显著升高，而且动物在接受电刺激后24小时内没有出现高血糖或低血糖事件。在接受电刺激治疗的4周时间里，1型糖尿病模型小鼠的血糖水平与野生型类似。

▲通过电刺激来激活胰岛素生产，在1型糖尿病模型小鼠中显著降低空腹血糖水平（图片来源：参考资料[1]）

研究人员指出，DART提供了一种可逆、可调节的基因表达调控方式。它只需要很少的能量，三节5号电池就可能在长达5年的时间里每天控制一次胰岛素释放。而且这一系统中使用的针灸用针已经在实验中得到验证具有很好的安全性。这一系统调控胰岛素表达的机制也可以迅速推广到用于调控其它生物医药产品的表达和生产。他们表示，这种简易的电遗传界面（electrogenetic interfaces）可用于多种多样的基因和细胞疗法，提供闭环基因表达干预，实时给药，以及远程监控，具有广泛应用前景。

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参考资料：

[1] Huang et al., (2023). An electrogenetic interface to program mammalian gene expression by direct current. Nature Metabolism, https://doi.org/10.1038/s42255-023-00850-7

[2] With 3 AA batteries and 2 acupuncture needles, a device controls gene expression in live mice. Retrieved August 1, 2023, from https://www.fiercebiotech.com/research/three-aa-batteries-and-two-acupuncture-needles-device-controls-gene-expression-live-mice

[3] Scientists Control Human DNA with Electricity in 'Leap Forward', Study Reports. Retrieved August 1, 2023, from https://www.vice.com/en/article/g5yjnx/scientists-control-human-dna-with-electricity-in-leap-forward-study-reports

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