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)計細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胞釋放到血液中的胰島素的時間和數(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)細胞在幾分鐘內(nèi)釋放胰島素。這對于英國搖滾樂隊 Queen 的全球熱門歌曲“We Will Rock You”尤其有效。
使細胞能夠接收聲波
為了使產(chǎn)生胰島素的細胞能夠接受聲波，研究人員使用了來自大腸桿菌的蛋白質(zhì)。此類蛋白質(zhì)對機械刺激做出反應(yīng)，在動物和細菌中很常見。該蛋白質(zhì)位于細菌膜上，調(diào)節(jié)鈣離子流入細胞內(nèi)部。
研究人員已將這種細菌離子通道的藍圖整合到人類胰島素產(chǎn)生細胞中。這讓這些細胞自己創(chuàng)建離子通道并將其嵌入細胞膜中。
正如科學(xué)家們所證明的那樣，這些細胞中的通道會響應(yīng)聲音而打開，從而允許帶正電的鈣離子流入細胞。這導(dǎo)致細胞膜中的電荷反轉(zhuǎn)，進而導(dǎo)致細胞內(nèi)充滿胰島素的微小囊泡與細胞膜融合并將胰島素釋放到外部。
震撼的低音促進胰島素分泌
在細胞培養(yǎng)中，研究人員首先確定哪些頻率和音量水平最強烈地激活離子通道。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，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的胰島素反應(yīng)。帶有強勁低音的搖滾音樂(如皇后樂隊的歌曲“We Will Rock You”)位居榜首，其次是動作片“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
為了測試整個系統(tǒng)，研究人員將產(chǎn)生胰島素的細胞植入小鼠體內(nèi)，并將這些動物的腹部直接放在揚聲器上。這是研究人員觀察胰島素反應(yīng)的唯一方法。然而，如果動物能夠在“老鼠迪斯科”中自由移動，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，我們設(shè)計的細胞才會釋放胰島素，”Fussenegger 解釋道。激素的釋放不是由飛機噪音、割草機、消防隊警報或談話等 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)格對細胞培養(yǎng)物和小鼠的測試可知，植入人體的細胞在受到最輕微的噪音影響時持續(xù)釋放胰島素的風(fēng)險很小。
另一個安全緩沖是胰島素儲存庫在耗盡后需要四個小時才能完全補充。因此，即使細胞每小時暴露在聲音下，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，即使一個人超過四個小時沒有進食，胰島素也會在囊泡中保留很長時間。“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概念證明，表明遺傳網(wǎng)絡(luò)可以通過聲波等機械刺激來控制。
這一原則能否付諸實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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