可植入血糖驱动代谢燃料电池用于血糖水平的持续监测和调控

智能电子设备正越来越多地主导着我们的日常生活，并已经在生物医学领域中塑造了一个个新的诊治机遇。糖尿病目前仍处于不可治愈状态，如何利用科技发展治愈糖尿病是科学家们近年来致力攻破的难题之一。

我们已经知道，1型糖尿病和晚期的2型糖尿病患者因体内的胰岛素绝对缺乏，必须从外部获得胰岛素来调节血糖水平。与身体连接的胰岛素泵可以通过外源性补充胰岛素来实现糖尿病的部分治疗，但这些设备的运行目前需要依靠一次性电池或可充电电池来提供能量，无法实现电池的自动运作和持续运转，导致便利性和移动性欠佳，限制了该类装置在临床的有效推广。

因此，设计一种强大的、自给自足的、在生理条件下工作的植入式发电装置将对包括胰岛素泵在内的许多医疗应用产生变革性的影响。近期，来自苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）以及巴塞尔大学（University of Basel）的研究人员设计了一种新型的葡萄糖动力电池，可以将患者体内的葡萄糖直接转化为电能。相关研究成果以“Blood-Glucose-Powered Metabolic Fuel Cell for Self-Sufficient Bioelectronics”，于近期发表在Advanced Materials期刊上。

该研究利用一种新的含铜导电调谐三维碳纳米管复合材料，设计了一种可以持续监测血糖水平的血糖驱动代谢燃料电池，在高血糖期间将过量的葡萄糖转化为电能，并产生足够的能量（0.7 mW/cm²，0.9 V，50 mM 葡萄糖）来驱动光电遗传，调控β细胞的胰岛素释放。研究表明，在1型糖尿病的实验模型中，通过结合电代谢转化和胰岛素释放介导的细胞消耗，可以将血糖监测与消除过量血糖相结合，从而使代谢燃料电池能够以自动、自给自足和闭环的方式恢复小鼠的血糖稳态（图1）。

图1 非酶代谢燃料电池闭环控制血糖稳态的示意图  

这已经不是Fussenegger研究团队第一次将科技与糖尿病相结合的伟大尝试，早在2016年，该团队就利用一种简单明了的工程学方法制造出人工胰岛β细胞，并将以上研究成果发表在Science杂志上。在这项研究中，他们使用了一种基于人肾细胞的HEK细胞膜中天然的葡萄糖转运蛋白和钾离子通道，利用电压依赖性钙离子通道、产生胰岛素或GLP-1的基因提高它们的功能。当血糖水平超过某个阈值时，钾离子通道关闭。这会颠倒细胞膜上的电压分布，导致钙离子通道打开。随着钙离子流进，它触发HEK细胞内在的信号转导级联事件，导致胰岛素或GLP-1的产生和分泌（图2）。这些带有高科技色彩的人工β细胞能够完成天然的β细胞做的任何事情：包括测量血液中的葡萄糖浓度以及产生足够的胰岛素来有效地调控血糖水平。

图2 HEK-293细胞葡萄糖传感图

值得一提的是，在2020年5月29日的Science期刊上，该研究团队再次发表了Fussenegger团队关于该领域的最新研究进展。该研究团队利用合成生物学方法工程化改造人胰岛β细胞，首次使用定制的生物微电子设备在1型糖尿病小鼠体内对人工β细胞进行无线电刺激，实现了对胰岛素合成和释放的精准调控（图3）。该研究所展示的电遗传学调控工具，是继光、磁、无线电波、超声等基因调控系统之后，又一项极具应用前景的远程调控细胞功能的工具。这也是生命科学界首次实现直接以电信号为媒介远程精准调控哺乳动物细胞基因表达和胰岛素释放的功能。

图3 如硬币般大小的生物微电子设备植入小鼠体内

让我们再次回到2023年这篇文章，该团队人员基于以上研究成果继往开来的开发了结合两种技术的最新装置（能在电压控制下释放胰岛素的人工胰岛β细胞+血糖驱动代谢燃料电池），该装置在血糖过高时会激活燃料电池，分解葡萄糖产生电力，刺激人工胰岛β细胞释放胰岛素以降低血糖。血糖回到正常水平后，燃料电池停止运作，胰岛素释放中止（图4）。并在1型糖尿病小鼠进行试验，发现该装置不仅实现了血糖的有效控制，而且燃料电池表现出良好的耐久性。实现了以自动、自给自足和闭环的高科技方式，为糖尿病的治愈提供可能。

图4 代谢燃料电池光遗传刺激人胰岛β细胞释放囊泡胰岛素

“路漫漫其修远兮”，虽然该领域在这几年内陆续出了可喜的研究成果，但目前此类装置还处于动物研究的层面上，研究人员表示未来要应用于临床实践并实现糖尿病的治愈，还有很长的一段路要走。

审核编辑：刘清