智能電子設備正越來越多地主導著我們的日常生活，并已經在生物醫學領域中塑造了一個個新的診治機遇。糖尿病目前仍處于不可治愈狀態，如何利用科技發展治愈糖尿病是科學家們近年來致力攻破的難題之一。

我們已經知道，1型糖尿病和晚期的2型糖尿病患者因體內的胰島素絕對缺乏，必須從外部獲得胰島素來調節血糖水平。與身體連接的胰島素泵可以通過外源性補充胰島素來實現糖尿病的部分治療，但這些設備的運行目前需要依靠一次性電池或可充電電池來提供能量，無法實現電池的自動運作和持續運轉，導致便利性和移動性欠佳，限制了該類裝置在臨床的有效推廣。

因此，設計一種強大的、自給自足的、在生理條件下工作的植入式發電裝置將對包括胰島素泵在內的許多醫療應用產生變革性的影響。近期，來自蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）以及巴塞爾大學（University of Basel）的研究人員設計了一種新型的葡萄糖動力電池，可以將患者體內的葡萄糖直接轉化為電能。相關研究成果以“Blood-Glucose-Powered Metabolic Fuel Cell for Self-Sufficient Bioelectronics”，于近期發表在Advanced Materials期刊上。

該研究利用一種新的含銅導電調諧三維碳納米管復合材料，設計了一種可以持續監測血糖水平的血糖驅動代謝燃料電池，在高血糖期間將過量的葡萄糖轉化為電能，并產生足夠的能量（0.7 mW/cm2，0.9 V，50 mM 葡萄糖）來驅動光電遺傳，調控β細胞的胰島素釋放。研究表明，在1型糖尿病的實驗模型中，通過結合電代謝轉化和胰島素釋放介導的細胞消耗，可以將血糖監測與消除過量血糖相結合，從而使代謝燃料電池能夠以自動、自給自足和閉環的方式恢復小鼠的血糖穩態（圖1）。

圖1 非酶代謝燃料電池閉環控制血糖穩態的示意圖 ?

這已經不是Fussenegger研究團隊第一次將科技與糖尿病相結合的偉大嘗試，早在2016年，該團隊就利用一種簡單明了的工程學方法制造出人工胰島β細胞，并將以上研究成果發表在Science雜志上。在這項研究中，他們使用了一種基于人腎細胞的HEK細胞膜中天然的葡萄糖轉運蛋白和鉀離子通道，利用電壓依賴性鈣離子通道、產生胰島素或GLP-1的基因提高它們的功能。當血糖水平超過某個閾值時，鉀離子通道關閉。這會顛倒細胞膜上的電壓分布，導致鈣離子通道打開。隨著鈣離子流進，它觸發HEK細胞內在的信號轉導級聯事件，導致胰島素或GLP-1的產生和分泌（圖2）。這些帶有高科技色彩的人工β細胞能夠完成天然的β細胞做的任何事情：包括測量血液中的葡萄糖濃度以及產生足夠的胰島素來有效地調控血糖水平。

圖2 HEK-293細胞葡萄糖傳感圖

值得一提的是，在2020年5月29日的Science期刊上，該研究團隊再次發表了Fussenegger團隊關于該領域的最新研究進展。該研究團隊利用合成生物學方法工程化改造人胰島β細胞，首次使用定制的生物微電子設備在1型糖尿病小鼠體內對人工β細胞進行無線電刺激，實現了對胰島素合成和釋放的精準調控（圖3）。該研究所展示的電遺傳學調控工具，是繼光、磁、無線電波、超聲等基因調控系統之后，又一項極具應用前景的遠程調控細胞功能的工具。這也是生命科學界首次實現直接以電信號為媒介遠程精準調控哺乳動物細胞基因表達和胰島素釋放的功能。

圖3 如硬幣般大小的生物微電子設備植入小鼠體內

讓我們再次回到2023年這篇文章，該團隊人員基于以上研究成果繼往開來的開發了結合兩種技術的最新裝置（能在電壓控制下釋放胰島素的人工胰島β細胞+血糖驅動代謝燃料電池），該裝置在血糖過高時會激活燃料電池，分解葡萄糖產生電力，刺激人工胰島β細胞釋放胰島素以降低血糖。血糖回到正常水平后，燃料電池停止運作，胰島素釋放中止（圖4）。并在1型糖尿病小鼠進行試驗，發現該裝置不僅實現了血糖的有效控制，而且燃料電池表現出良好的耐久性。實現了以自動、自給自足和閉環的高科技方式，為糖尿病的治愈提供可能。

圖4 代謝燃料電池光遺傳刺激人胰島β細胞釋放囊泡胰島素

“路漫漫其修遠兮”，雖然該領域在這幾年內陸續出了可喜的研究成果，但目前此類裝置還處于動物研究的層面上，研究人員表示未來要應用于臨床實踐并實現糖尿病的治愈，還有很長的一段路要走。

審核編輯：劉清