糖尿病是一種身體產(chǎn)生胰島素過少或不產(chǎn)生胰島素的疾病。因此，糖尿病患者依賴于通過注射或泵從外部供應(yīng)這種激素。
由巴塞爾蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物系統(tǒng)科學(xué)與工程系的 Martin Fussenegger 領(lǐng)導(dǎo)的研究人員希望讓這些人的生活變得更輕松，并正在尋找直接在體內(nèi)生產(chǎn)和管理胰島素的解決方案。他們的研究成果發(fā)表在《柳葉刀糖尿病與內(nèi)分泌學(xué)》上。
科學(xué)家們正在尋求的解決方案之一是將產(chǎn)生胰島素的設(shè)計(jì)細(xì)胞封裝在可以植入體內(nèi)的膠囊中。為了能夠從外部控制細(xì)胞釋放到血液中的胰島素的時(shí)間和數(shù)量，研究人員近年來研究并應(yīng)用了不同的觸發(fā)因素：光、溫度和電場。
富森格和他的同事現(xiàn)在開發(fā)了另一種新穎的刺激方法：他們使用音樂觸發(fā)細(xì)胞在幾分鐘內(nèi)釋放胰島素。這對于英國搖滾樂隊(duì) Queen 的全球熱門歌曲“We Will Rock You”尤其有效。
使細(xì)胞能夠接收聲波
為了使產(chǎn)生胰島素的細(xì)胞能夠接受聲波，研究人員使用了來自大腸桿菌的蛋白質(zhì)。此類蛋白質(zhì)對機(jī)械刺激做出反應(yīng)，在動(dòng)物和細(xì)菌中很常見。該蛋白質(zhì)位于細(xì)菌膜上，調(diào)節(jié)鈣離子流入細(xì)胞內(nèi)部。
研究人員已將這種細(xì)菌離子通道的藍(lán)圖整合到人類胰島素產(chǎn)生細(xì)胞中。這讓這些細(xì)胞自己創(chuàng)建離子通道并將其嵌入細(xì)胞膜中。
正如科學(xué)家們所證明的那樣，這些細(xì)胞中的通道會響應(yīng)聲音而打開，從而允許帶正電的鈣離子流入細(xì)胞。這導(dǎo)致細(xì)胞膜中的電荷反轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)充滿胰島素的微小囊泡與細(xì)胞膜融合并將胰島素釋放到外部。
震撼的低音促進(jìn)胰島素分泌
在細(xì)胞培養(yǎng)中，研究人員首先確定哪些頻率和音量水平最強(qiáng)烈地激活離子通道。他們發(fā)現(xiàn) 60 分貝 (dB) 左右的音量和 50 赫茲的低音頻率最能有效觸發(fā)離子通道。為了觸發(fā)最大程度的胰島素釋放，聲音或音樂必須持續(xù)至少三秒并暫停最多五秒。如果間隔太遠(yuǎn)，釋放的胰島素就會少得多。
最后，研究人員研究了哪些音樂流派在 85 分貝的音量下引起最強(qiáng)的胰島素反應(yīng)。帶有強(qiáng)勁低音的搖滾音樂(如皇后樂隊(duì)的歌曲“We Will Rock You”)位居榜首，其次是動(dòng)作片“復(fù)仇者聯(lián)盟”的配樂。相比之下，古典音樂和吉他音樂的胰島素反應(yīng)相當(dāng)弱。
《We Will Rock You》在 5 分鐘內(nèi)觸發(fā)了大約 70% 的胰島素反應(yīng)，在 15 分鐘內(nèi)全部觸發(fā)。富塞內(nèi)格說，這與健康個(gè)體自然葡萄糖誘導(dǎo)的胰島素反應(yīng)相當(dāng)。
聲源必須位??于植入物的正上方
為了測試整個(gè)系統(tǒng)，研究人員將產(chǎn)生胰島素的細(xì)胞植入小鼠體內(nèi)，并將這些動(dòng)物的腹部直接放在揚(yáng)聲器上。這是研究人員觀察胰島素反應(yīng)的唯一方法。然而，如果動(dòng)物能夠在“老鼠迪斯科”中自由移動(dòng)，音樂就無法觸發(fā)胰島素釋放。
“只有當(dāng)正確聲音的聲源直接在植入物上方的皮膚上播放時(shí)，我們設(shè)計(jì)的細(xì)胞才會釋放胰島素，”Fussenegger 解釋道。激素的釋放不是由飛機(jī)噪音、割草機(jī)、消防隊(duì)警報(bào)或談話等 環(huán)境噪音觸發(fā)的。
不會通過環(huán)境噪音觸發(fā)
據(jù)富塞內(nèi)格對細(xì)胞培養(yǎng)物和小鼠的測試可知，植入人體的細(xì)胞在受到最輕微的噪音影響時(shí)持續(xù)釋放胰島素的風(fēng)險(xiǎn)很小。
另一個(gè)安全緩沖是胰島素儲存庫在耗盡后需要四個(gè)小時(shí)才能完全補(bǔ)充。因此，即使細(xì)胞每小時(shí)暴露在聲音下，它們也無法每次釋放滿負(fù)荷的胰島素，從而導(dǎo)致危及生命的低血糖。
“然而，它可以滿足一日三餐的糖尿病患者的典型需求，”富塞內(nèi)格說。他解釋說，即使一個(gè)人超過四個(gè)小時(shí)沒有進(jìn)食，胰島素也會在囊泡中保留很長時(shí)間。“沒有發(fā)生耗盡或意外排放的情況。”
但距離臨床應(yīng)用還有很長的路要走。研究人員只是提供了一個(gè)概念證明，表明遺傳網(wǎng)絡(luò)可以通過聲波等機(jī)械刺激來控制。
這一原則能否付諸實(shí)踐取決于制藥公司是否有興趣這樣做。畢竟，它可以廣泛應(yīng)用：該系統(tǒng)不僅適用于胰島素，還適用于任何可用于治療用途的蛋白質(zhì)。
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