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登《科学》子刊封面!中国科学家首次通过智能手机实现远程调控治疗糖尿病

2017/04/28 来源:BioArt
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导读
叶海峰课题组的这项研究巧妙地将合成生物学与电子工程学相结合,开发了一种集糖尿病诊断和治疗为一体的智能诊疗新系统,首次实现通过智能手机超远程调控治疗糖尿病的目的。
本文转自BioArt,原标题:华东师大叶海峰组首次通过智能手机实现远程调控治疗糖尿病。

近年来,随着移动通讯技术的不断革新,智能手机已成为移动医疗的重要组成部分,其在血糖监控中已经有了应用。但是,目前智能手机对糖尿病患者仅有诊断和检测功能,无法实现对其治疗。4月26日,来自华东师范大学生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室叶海峰研究员课题组在Science子刊Science Translational Medicine杂志上以封面文章形式发表了题为“Smartphone-controlled optogenetically engineered cells enable semiautomatic glucose homeostasis in diabetic mice”的研究论文,该杂志同时还刊登了美国怀俄明大学分子生物学系Mark Gomelsky教授撰写的点评文章“Photoactivated cells link diagnosis and therapy”,对叶海峰研究小组的这项研究给予了高度的评价。叶海峰课题组的这项研究巧妙地将合成生物学与电子工程学相结合,开发了一种集糖尿病诊断和治疗为一体的智能诊疗新系统,首次实现通过智能手机超远程调控治疗糖尿病的目的。这项研究是国内合成生物学领域的一项具有标志性意义的突破性研究,该研究集基础与应用于一体,充分展示了移动医疗的发展前景。此外,该研究也有望在未来给糖尿病患者带来福音。有鉴于该研究的创新性与潜在的实用性,国内外已有多家媒体关注报道,BioArt也有幸对叶海峰老师进行了独家专访,直面系列敏感话题(投稿背后的故事、回国后的发展心路历程),详见文后。

 

封面论文图案

论文解读:


移动医疗。图片来自网络

近几年来,随着移动通讯技术的不断革新,智能手机得到了飞速的发展,从一个单纯的通话设备逐渐转变为集高清相机、电子银行、全球定位系统为一体的多功能电子设备。同时,智能手机也成为移动医疗的重要组成部分,其在血糖监控中已经有了应用。但是,目前智能手机对糖尿病患者仅有诊断和检测功能,无法实现对其治疗。因此华东师范大学生命科学学院叶海峰研究员课题组巧妙的将合成生物学与电子工程学相结合,开发了一种集糖尿病诊断和治疗为一体的智能诊疗新系统(见下图)。


通过智能手机控制远红光响应的工程化细胞达到糖尿病半自动化治疗的设计示意图。

该系统有两大功能特点:第 一,研究人员可通过智能手机ECNU-TeleMed app 超远程控制远红光亮度来调控基因表达量;第二,糖尿病小鼠血糖高低信号可以被转化翻译成远红光亮度来调控基因表达量。

首先,研究人员利用合成生物学理念,设计合成了远红光调控基因表达的定制化细胞,该定制化细胞在远红光的照射下,可以被激活表达任何想要的报告基因或药物蛋白,例如绿色荧光蛋白或胰岛素等。



远红光调控基因表达控制系统设计示意图及其调控报告基因表达的动力学特征研究

当研究人员将远红光控制胰岛素表达的定制化细胞移植到糖尿病小鼠皮下时,给予糖尿病小鼠直接远红光照射,可以激活皮下移植的细胞表达胰岛素并起到良好的降血糖效果。利用该治疗方法,糖尿病鼠只需要每天光照2-4小时,就可以把血糖维持在正常水平并长达半个月时间。此外,该治疗方法降血糖效果见效非常快,只需要光红光照射1-2小时,血糖就显著降低到正常水平。


远红光直接照射糖尿病小鼠皮肤,可激活皮下移植的光响应的工程化细胞表达胰岛素,从而达到降血糖治疗糖尿病的效果。

最后,研究人员采用多学科联合设计方法,进一步设计开发了糖尿病诊疗一体化智能控制系统。小鼠的血糖值由血糖仪读取获得后,可通过蓝牙无线发送到定制的智能控制器(SmartController)和智能手机中。

当血糖值高于预先设定的安全血糖阈值时,智能控制器可以点亮移植在小鼠体内含有定制化细胞的水凝胶LED复合体(HydrogeLED),从而激活定制化细胞产生胰岛素或GLP-1(glucagon-like peptide-1 ,胰高血糖素样肽-1)达到降血糖并维持血糖稳定的作用,最终实现自动诊断、精准治疗的目的。此外,当智能手机中显示治疗异常时,亦可以强制控制智能控制器,进行优化方案治疗。


智能手机ECNU-TeleMed App 可远程控制移植在糖尿病小鼠体内的细胞-水凝胶-LED复合体(HydrogeLED implant)的LED亮度,从而控制胰岛素的表达量来达到精准治疗糖尿病的目的。此外,糖尿小鼠的血糖值亦可直接通过蓝牙信号被转换翻译为LED灯亮度,从而来调控胰岛素或GLP-1的表达量,最终形成智能化的闭合环路。

当研究者们在糖尿病模型鼠中植入HydrogeLED时,实现了对糖尿病小鼠诊疗一体化的智能治疗,并取得了良好的治疗效果,为今后临床上诊疗一体化、精准治疗糖尿病提供了新思路与新策略。该种治疗策略有望成为未来精准医疗新的风向标。


左:本研究通讯作者叶海峰研究员;右:本研究第一作者邵佳伟

据悉,该研究受到了同行评审专家的高度评价,盛赞该研究是通过移动智能手机连接小型设备诊断和个性化医疗的一个“突出的范例(an outstanding example)”,是一项“令人惊奇的研究(an amazing study)”。此外,美国怀俄明大学分子生物学系Mark Gomelsky教授对这项工作评价道,“Not just yet, but [this work] provides us with an exciting glimpse into the future of smart cell-based therapeutics.”

华东师范大学生命学院叶海峰研究员为该研究论文的唯一通讯作者。本文第一作者为华东师范大学2016级博士研究生邵佳伟。该研究工作获得了国家自然科学基金委、国家科技部干细胞重大专项、上海市科委、青年千人计划和华东师范大学人才队伍启动经费资助。此外,该研究也获得了华师大研究生院授予2016级博士研究生薛帅(本文第二作者)“优秀博士学位论文培育资助项目”的资助。

参考文献:

1. Jiawei Shao, Shuai Xue, Guiling Yu, Yuanhuan Yu, Xueping Yang, Yu Bai, Sucheng Zhu, Linfeng Yang, Jianli Yin, Yidan Wang, Shuyong Liao, Sanwei Guo, Mingqi Xie, Martin Fussenegger, Haifeng Ye*,Smartphone-controlled optogenetically engineered cells enable semiautomatic glucose homeostasis in diabetic mice. Sci. Transl. Med. 9, eaal2298 (2017) (Cover story)

2. Haifeng Ye* †, Mingqi Xie†, Shuai Xue, Ghislaine Charpin-El Hamri, Jianli Yin, Henryk Zulewski and Martin Fussenegger*, Self-adjusting synthetic gene circuit for correcting insulin resistance. Nat. Biomed. Eng. 1, 0005 (2016).(co-first and co-corresponding author)

3. Shuai Xue, Jianli Yin, Jiawei Shao, Yuanhuan Yu, Linfeng Yang,Yidan Wang, Mingqi Xie, Martin Fussenegger and Haifeng Ye*, A synthetic biology-inspired therapeutic strategy for targeting and treating hepatogenous diabetes. Molecular Therapy 25:443-455 (2017)

BioArt专访:

采访人丨丁广进

BioArt: 首先我代表BioArt向您表示祝贺。您的这个工作给大家一种耳目一新的感觉,我也注意到您从博士阶段就开始从事相关的研究,并且近年来发表了一系列的优秀学术成果,请您简要的描述这项工作以及该工作的潜在应用价值。

叶海峰:首先非常感谢广进同学的采访。在这个研究工作中,我们首先利用合成生物学的原理,设计合成了远红光(~730nm)调控转基因表达的基因电路系统。将该合成的基因电路上载到动物细胞HEK-293中,获得光控定制化细胞,其在远红光的照射下就可调控目的基因的表达,比如表达分泌胰岛素或胰高血糖素样肽(shGLP-1)。然后,我们采用多学科联合设计原则,结合合成生物学、光遗传学、细胞移植技术、电子工和软件工程,设计开发了糖尿病诊疗一体化智能手机控制系统。工作原理大致如下:首先,我们可以通过自己编写的手机ECNU-TeleMed app远程控制LED亮度,从而可以调控定制化细胞中目标基因的表达量;其次,小鼠的血糖值由血糖仪读取获得后通过蓝牙分别传送到定制的智能控制器和智能手机中,当血糖值高于预先设定安全血糖阈值时,智能控制器可以点亮移植在小鼠体内含有定制化细胞的水凝胶LED复合体(HydrogeLED),使其照射定制化细胞表达分泌胰岛素或shGLP-1达到维持血糖稳定的作用,实现自我诊断、自我治疗的目的。该研究工作实现了对糖尿病小鼠诊疗一体化的智能治疗,并取得了良好的治疗效果,为今后临床上糖尿病诊疗一体化、数字精准治疗糖尿病提供了新思路与新策略。该种个性化、数字化、全球化治疗策略有望成为未来精准医疗新的风向标。

BioArt:目前智能手机对糖尿病患者已经有诊断和检测功能,但是还无法实现对其治疗。我想除了您所在的课题组之外可能也有其它同行在尝试相关的研究,不过您最终走在前列。请问这项研究的背后最大的难点在哪些地方?

叶海峰:我认为在我们这个研究课题中首先最大的难点是如何设计合成一个理想的光控转基因表达控制系统。在目前光遗传学研究领域中,控制基因表的系统有几个版本,主要都是蓝光调控系统。但是蓝光透皮效果差、有一定毒性、这些系统基因诱导表达背景较高、诱导倍数不太理想、需脉冲式给光、有些需额外添加色素才能工作,这些缺陷都限制了蓝光系统在临床上的应用。目前已报道的红光调控系统效率非常低下,且需要不断的脉冲式给光,要用于体内治疗很难达到效果。因此,我们一直致力于开发一套相对完美、理想的远红光调控基因表达系统。我们现在开发的系统有几大优点:远红光透皮效果好、无毒性、诱导基因表达倍数高、无需添加辅助色素、无需脉冲式给光、灵敏度高等特点。其次,让我们觉得比较难的地方是如何设计手机软件app去控制光的亮度,以及如何将血糖值转化为电信号来控制光的亮度。这些研究内容涉及到了电子工程和软件工程,完全不是靠生物背景研究人员能解决的。因此,寻找不同背景的研究人员,一起有效合作做科研工作是至关重要的。最后,如何实现动物体内的移植治疗在当时也是我们碰到的困难。我们从微胶囊制备技术得到了启发,最后我们设计了HydrogeLED这样的一个复合移植体,最终很好解决了这个问题。

BioArt:这样研究成果已经引起了众多海内外媒体的热烈关注,可能大家比较好奇这套智能系统未来运用于临床上精准治疗糖尿病患者方面还有哪些瓶颈?您的这个工作应该说是前后多年工作的一个积累,目前应该说到了一个新的阶段。那么您的课题组未来计划在相关研究上还会尝试做一些什么样的研究?不知是否方便透露。

叶海峰:我们开发的这套系统要用于临床还有很长的路要走,但是个人还是非常看好的。我认为目前主要的瓶颈就是安全问题、长期可靠性问题。但是这两个大问题我们也有了解决方案或者说是思路,我们后面的研究工作也将会主要瞄准这两个主要瓶颈问题。例如用糖尿病人的自体细胞代替我们现在用的HEK293细胞,我们也将会升级现有的移植方案,让体内移植更安全可靠。此外,我们目前开发的智能手机治疗糖尿病还是半自动化的,所以我们的下一步目标就是做全自动化的诊疗系统。

BioArt:您的这项研究利用多学科交叉联合设计,结合了电子工程、软件工程与合成生物工程学的相关技术,这些对于一般单纯从事分子生物学或者细胞生物学相关研究的同行来说可能比较遥远,那么请问您课题组是如何做到巧妙地融合不同学科的技术优势完成这项研究的?再者,如果有学生希望成为您的研究生,那么您一般希望这些学生是什么专业背景比较好。

叶海峰:合成生物工程学这门学科本身就是一门综合性交叉学科,涉及到生物学、工程学、数学、物理、化学、计算机等学科。不同研究背景的人都可以加入进来,而且也只有不同背景学科的人高效合作才能做出更有特色的研究成果。当然,该项目的研究主要还是以生物学为主体,辅助涉及到了软件代码、电子电路等知识。在涉及电子和软件工程时,来自上海航天电子通讯设备研究所的白郁同学在电路设计组装给了很大的帮助,也是本文的共同作者,在此表示感谢。在招研究生时我并没有特别的要求,一般都是生物相关专业的本科毕业生。但是在招聘其它高级研究人员是我会更多考虑专业技术背景的互补,在思想上能碰撞出火花。

BioArt:这个工作无论从基础研究还是应用的角度考虑都可以称之为一个重要的突破,我猜想这个工作当初可能投稿到CNS系列杂志上,不知道叶老师可否分享一个这个工作的投稿经历以及同行的评价。另外,这个研究背后或许有一些值得分享给大家的故事,您不妨给读者朋友们分享一二。

叶海峰:我们的工作的确一开始是投给了Science杂志,但是投稿一个月后,还是被建议转投它的子刊(STM,Science Translational Medicine),由于当时着急把工作赶紧发表出来,再三考虑还是接受了他们转投的offer。在我们投稿期间,我参与的瑞士导师的血糖传感器研究工作已经在Science处于revision状态(注:该文BioArt早前有报道,详见《人造胰岛β细胞研究取得重大突破丨BioArt亮点推荐》),很有可能编辑考虑到两个工作最终解决的科学问题是一样的,所以我们的稿件就被淘汰了。我们最初的投稿策略应该是错误了。在文章投稿前,我们也猜到了审稿人会问到的问题,所以我们提前把一些实验数据做好,我们的数据也是很大程度上超出了审稿人提的要求,最终修回非常顺利。

(附两位评审专家的意见)

Reviewer 1:

Ye and colleagues present an outstanding example of linking small-device diagnostics and personalized medicine via a mobile phone technology. They engineered human cells to express blood glucose lowering hormones in response to a benign, noninvasive stimulus, far-red light. They further made light irradiance dependent on the glucose levels as measured by a diagnostic device. The study shows that the system works in mice where engineered light-responsive cells are implanted in capsules or hollow fibers and activated by external light, or engineered cells are implanted together with LEDs that are powered remotely. The major innovation of this work lies in the engineering and optimizing far-red light-inducible, c-di-GMP-mediated gene regulatory modules and in integrating engineered cells and electronics in a semi-closed circuit. The manuscript is rich in data derived in experiments with meticulous attention to detail. Overall it generates very high level of enthusiasm.

Reviewer 2:

In summary, we felt that this is an amazing study. The synthetic biology portion on the development of the Bph system was performed elegantly. The initial concern that we have with activating the STING pathway, which could lead to the unwanted production of cytokines, were addressed by importing transcription factor that senses di-cGMP. We were also pleasantly surprised by the wireless charging hydrogel LED. The combination of electronic hardware and synbio circuit development went above and beyond what we have seen in other work. In our opinion, we think this paper definitely merits publication in Science Translational Medicine.

BioArt:我本人注意到,您作为“青年千人”回母校任职大约只有短短的三年时间,但是您回国后作为通讯作者已经发表了三篇高水平的研究性论文。可能读者们比较好奇您回国后是如何迅速开展实验并取得一系列成果的,请您简短的介绍一下,这也许会给一些刚回国的年轻PI一些借鉴和参考。

叶海峰:在我们这个研究领域需要发散性思维,要敢想、敢尝试。我们尝试了很多想法,也失败了很多,也只有个别想法是能成功的。所以,一开始要多撒些种子,这样总有个别几个能发芽成长起来的。十几年来,我在合成生物学领域能取得些许的进展离不开校领导、院领导及导师的培养与支持。但是我想强调的一点是,回母校工作还是有很大的优势的。正式回国工作前半年,我的硕士导师--吴自荣教授就帮我提前招了两位硕士研究生,为我顺利组建实验室提供了便利。再次,回国后跟国外的博士导师Martin Fussenegger教授在课题上有继续合作,所以有共同通讯作者的研究成果。

叶海峰研究员简介


叶海峰研究员于2007.8-2013.12在瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)攻读博士学位并从事博士后研究工作。2014年2月底回到母校华东师范大学受聘为“紫江优秀青年学者”,担任生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室PI、博士生导师。主要从事合成生物学与生物医学工程领域的研究。2014年入选中组部第十一批“青年千人计划”,2015年获得国家自然科学基金委“优青”资助。叶海峰博士回国工作三年期间,带领自己的研究生团队以通讯作者身份在Science Translational Medicine, Nature Biomedical Engineering, Molecular Therapy等高影响力杂志发表研究论文。主要研究内容包括:合成生物学元件及模块的构建;设计合成生物分子信号感应处理元件和细胞自我控制元件;开发智能化诊疗生物器件;以人工合成的基因回路为基础的基因治疗和细胞治疗、开发可调控的智能药物载体系统等,从而为人类疾病治疗提供新方法和新策略。

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