Research

　　来源：微信公众号＂Research科学研究＂
　　华东师范大学叶海峰研究员团队、中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队和北京航空航天大学樊瑜波教授团队合作开发了一种自供能 光遗传系统 （SOS）应用于 植入式血糖控制 。相关成果以＂A Self-Powered Optogenetic System for Implantable Blood Glucose Control＂为题发表在  Research  期刊上。
　　研究背景
　　近年来，通过挖掘和设计 光敏蛋白 ，科学家们构建出一系列光遗传学工具，并用于肿瘤和代谢疾病的 精准治疗 。糖尿病的治疗和康复通常是一个终生的过程，严重影响患者生活质量。基于光遗传学的基因工程定制细胞疗法在调节血糖稳态方面提供了一种新方法。然而，便携式、可持续和长期稳定的 光能供应 依然是光遗传学应用中面临的 重要挑战 之一。
　　研究进展
　　通过多学科技术交叉，叶海峰团队联合中科院北京纳米能源与系统研究所李舟团队和北京航空航天大学樊瑜波团队将纳米发电机技术和光遗传学相结合，为光遗传学治疗中 持续 能源供给提供了一种新的策略，进一步推动 光控智能细胞药物 用于疾病治疗的临床转化研究。
　　SOS由远红光源LED、光控定制细胞、电源管理单元（PMU）和植入式压电纳米发电机（i-PENG）组成。i-PENG可以将生物机械能转化为电能，并通过电源管理系统为LED光源供电， 激活 光控定制细胞表达降糖药物-胰高血糖素样肽-1（GLP-1），从而控制小鼠 血糖水平 （图1）。i-PENG由聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜、电极（Ag）、基底层（聚酰亚胺，PI）和封装层（聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET；Parylene-C）组成。模拟 人体运动力学 加载i-PENG，其开路电压和转移电荷量可达到~170 V、~0.24 μC，峰值功率为110 μW。整体器件具有良好的 生物相容性 和 柔韧性 。
　　图1 SOS系统的设计原理图
　　最后，为了验证SOS在控制糖尿病小鼠血糖稳态中的能力，研究团队将水凝胶包裹SOS中的LED，并 皮下移植 到糖尿病小鼠（db/db）的背部， 水凝胶 中同时含有光控定制细胞。通过PMU电源管理系统采集到的生物机械能供给下游的远红光源LED，实现光控激活定制细胞表达胰高血糖素样肽-1，从而控制小鼠血糖。实验数据显示，与对照组相比，光照组小鼠血液中胰高血糖素样肽-1表达水平显著升高，血糖水平降低， 糖耐受 和 胰岛素耐受 实验也明显改善。此外，研究人员将i-PENG植入到SD大鼠胸部皮下组织，证明了在呼吸运动作用下，其开路电压仍能达到5 V，能够直接点亮远红光源LED，表明SOS系统用于光控智能细胞药物工厂中的潜力。
　　未来展望
　　SOS系统可以将 生物机械能 （呼吸、心脏起搏等）转化为电能和光能，提供了一种 不依赖 外部电源的、可植入的光遗传控制系统，并在糖尿病小鼠中验证了其控制血糖稳态的能力，为基于光遗传学的长期细胞治疗提供了一种新的 电源供应策略 ，具有更好的患者依从性，有望应用于未来 生物电子药物 的开发。
　　作者简介
　　叶海峰 ，华东师范大学特聘教授，博士生导师，生命科学学院副院长、国家高层次人才入选者，重点研发计划首席科学家。主要从事合成生物学与生物医学工程领域的研究。利用 合成生物学 的理念和方法对 细胞 进行遗传学 改造 和 重编程 ，设计、构建智能基因网络调控系统用于疾病的精准可控治疗。 研究内容 包括：遗传控制系统设计构建、智能细胞药物设计构建、光遗传学工具开发、精准可控的肿瘤免疫治疗、药物工程菌设计改造等。
　　李舟 ，中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员，博士生导师。获国家杰出青年基金、北京市杰出青年基金、国家万人计划青年拔尖、新曦颠覆式技术创新基金等项目支持；担任国家中长期科技发展规划先进制造领域传感器方向战略研究组专家、科技部十四五重点研发计划＂ 智能传感器 ＂专项指南编制组专家、中国生物医学工程学会青委会副主任委员、中国电子学会生命电子学分会青年副主任委员等。主要 致力于 生物电子器件、植入/穿戴的电子医疗器件、生物传感器、可降解器件、细胞生物力学的研究。
　　樊瑜波 ，北京航空航天大学教授，博士生导师。长江学者，杰青，国家自然科学基金创新群体 带头人 。北航医工交叉创新研究院院长，医学科学与工程学院院长、生物与医学工程学院院长、生物力学与力生物学教育部重点实验室主任、生物医学工程北京高精尖中心主任。美国医学生物工程院（AIMBE）、国际医学与生物工程科学院（IAMBE）、世界生物材料学会（FBSE）会士。 致力于 生物力学、力生物学及其与生物材料交叉融合的基础和应用研究，从 交叉学科 角度研究疾病与健康相关问题、开展新型医疗器械基础及关键技术、及医疗器械科技发展战略研究。