中国科学家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。

　　论文解读：

　　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。

　　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.”