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每天通电1小时,血糖稳了,体重还轻了10%

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不用吃药,不用打胰岛素,在皮下植入一个装置就能直接分解多余的血糖;血糖高了自动开机,正常了自动停机。听起来是不是很奇幻?

苏黎世联邦理工学院的研究团队把这件事在小鼠身上做成了,论文于10月22日发表在《科学》(Science)上。这套系统被命名为“电催化闭环健康优化系统”(ECHO)。


ECHO丨参考文献

系统核心,其实是一套电催化装置

ECHO系统的核心,是一套电催化装置。研究团队以多孔导电的石墨毡做骨架,将金(Au)纳米簇置于其中,再用纳米级铂(Pt)装饰,制成 GF_Au@Pt 复合电催化剂。两者分工明确,其中金能导电、提供支撑,还能促进葡萄糖吸附,铂提供主要的催化活性位点。

通电后的化学反应也很简单,一个葡萄糖分子失去两个电子,变成葡萄糖酸(C₆H₁₂O₆ + 2OH⁻ → C₆H₁₂O₇ + H₂O + 2e⁻)。

这套催化反应有个很好用的开关特性。起始电压(拐点)约0.6伏,不通电或电压低于拐点,反应就不发生。也就是说,葡萄糖清不清理、清理多快,完全由电决定。

在体外实验中,将GF_Au@Pt置于浓度为30毫摩尔每升的葡萄糖溶液中,30分钟内葡萄糖浓度就开始下降,2小时后降至7毫摩尔每升,同时葡萄糖酸浓度升至12毫摩尔每升。同时这套催化系统有极好的选择性,在生理浓度下只氧化葡萄糖,对其他糖类(果糖、半乳糖、蔗糖)、维生素、激素等几乎没有影响。

接下来是把它做成植入系统。研究团队选用的外壳是3D打印的医用聚酰胺,尺寸仅26×14×5毫米,达到 IPX7 防水等级(短时间浸水不受影响),靠13.56兆赫的射频无线取电;外面再套三层封装,以提高生物相容性,封装后整体约 30×17.5×10毫米大小。植入系统供电工作参数是0.75伏、10毫安,所需功率不高于心脏起搏器。


ECHO工作原理丨参考文献

植入效果如何?安全性呢?

研究团队将该系统植入了db/db小鼠体内,这种小鼠因基因缺陷而天生肥胖、高血糖,是经典2型糖尿病模型。

以0.75伏、10毫安激活植入物后,实验小鼠血糖在60~90分钟内达到正常,与野生型小鼠的餐后血糖曲线相当,葡萄糖耐量试验的结果也一致。

每天激活60分钟、连续6周,小鼠血糖维持稳定。更值得一提的是体重,6 周治疗中,小鼠体重最多下降10%。原因在于葡萄糖酸约90%经肾脏随尿排出,这些葡萄糖不是被细胞用掉,而是被排出了体外,全身净代谢能量因此下降。

安全性方面,6周治疗期间,血液pH未低于7.35,没有出现酮症酸中毒;血清与各器官中没有检测到金和铂,说明封装有效挡住了金属外泄;小鼠的进食行为、生理指标和行为表现均无异常。

真正让这套系统具备智能色彩的,是闭环控制。研究团队将ECHO植入物与一款商用连续血糖监测仪(CGM)无线连接,CGM实时监测血糖,将数据传给智能手机,由此判断血糖是否超过预设阈值。一旦超过预设阈值,就指令无线供电模块启动电催化,当血糖落回目标区间,刺激自动停止。阈值可在5~15毫摩尔每升之间设定,单次激活时长 5~30分钟可调。

整个“监测—决策—执行”的闭环无需人工干预,也不需要胰岛素或任何药物。在小鼠实验中,这套ECHO-CGM闭环系统成功将血糖维持在正常范围,且未出现低血糖。


闭环控制丨参考文献

为什么值得发《科学》?

糖尿病和肥胖都属于慢性生活方式疾病,相互关联,同时出现时被称为糖胖症(diabesity)。全球近30%的人正受到糖胖症的困扰,产生的医疗费用超过全球GDP的1%。

然而,现有的治疗手段各有短板。生活方式调整难以坚持;传统口服降糖药及胰岛素需要终身使用,并且伴随着低血糖及各类不良反应风险;司美格鲁肽、替尔泊肽等GLP-1/GIP受体激动剂类药物效果亮眼,但昂贵、胃肠道反应常见、长期安全性仍在观察中;前沿“工程化定制细胞”疗法构想精巧,却卡在致瘤性、免疫排斥和成本上。

ECHO走了另一条路——不投递药物分子,不改造细胞,只用电子把代谢物清除掉。相对于其他治疗手段,它有三个特别的优势:

高度可调:改变外加电压或电流,可即时调节葡萄糖清除速率;

即时可逆:切断无线供电,催化氧化反应立刻停止;

易于扩展:增大电催化电极的工作面积,便能按比例提高处理能力。作者已在5升规模的体外循环装置中验证了葡萄糖氧化的效果,这已接近人体血液体积的量级。

更进一步看,过去的治疗主要依赖胰岛素将多余糖分“搬运”进细胞内储存,没有真正减少总热量。而ECHO把葡萄糖转化为葡萄糖酸,并经肾脏随尿排出,从而倒逼身体动用自身脂肪分解供能,具有改善糖胖症的潜力。

同时,作为一种电催化植入设备,如果可以稳定地调控糖代谢,理论上未来有可能扩展用于其他疾病相关代谢物。这是把代谢调控从“分子开关”扩展到“电子开关”的一次尝试。

冷静看待,它离我们还有多远?

读到这里,你可能想问“什么时候能用上”,不过目前仍然需要冷静看待它与临床应用之间的距离。

首先,这是一项初期概念验证研究,所有数据都来自小鼠,而且是一种遗传性肥胖模型小鼠,与人类2型糖尿病的病理机制不完全相同。更重要的是,人的血液体积是小鼠的两千多倍,在小鼠身上有效的ECHO是否同样对人安全有效,还需要人体临床试验逐步验证。

其次,研究观察时间仅有数周,而糖尿病是需要管理几十年的慢性病。尽管设备在短期内没有引发异常炎症反应,但长时间保持设备稳定性能和组织相容性,依然是植入类器械需要面对的难题。

再次,ECHO降糖过程中,体内的葡萄糖不是凭空消失,而是转化成了葡萄糖酸。虽然本研究中小鼠没有发生酸中毒,但对于人体来说,如果每日有大量葡萄糖酸生成,这对于酸碱、电解质平衡和肾功能的长期影响仍是未知。

面对糖尿病患者,这项技术还有更多问题需要讨论:低血糖风险;植入手术的安全性;长期“把热量扔掉”对于消瘦患者的影响。

Guokr

这套系统确实让小鼠血糖恢复正常,还减了10%的体重。不过,我们无法期待两三年内就能靠它扔掉降糖药,毕竟它连人体试验都还没开始。

然而,作为一次概念验证,这篇登顶《科学》的研究分量不小:只靠一块通电的金属,就可以清除葡萄糖,还能实时调节清除速度。

医学上很多转折点,正是从“原来这件事还能这么做”开始的。

参考文献

Maity D, Guha Ray P, Buchmann P, Charpin-El Hamri G, Fussenegger M. Wireless electrocatalytic closed-loop system for drug-free management of diabesity. Science. 2026;394(6822):eady8560. doi:10.1126/science.ady8560

作者:黎小球、代天医

编辑:odette

封面图来源:gemini

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