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控制胰岛素生产的敏感pH传感器

日期:2014-08-13 00:00:00

如果人体内的酸水平保持中性和稳定,许多人类代谢功能就能顺利运行。对人类来说,正常的血液pH值介于7.35和7.45之间。相比较而言,一个空的胃是酸性极强的,pH值为1.5。

大家的身体不断地监控着这一狭窄的pH范围,在任何偏差事件中迅速地恢复理想的pH值。这是因为,如果体液变得更加酸性,许多蛋白质就会停止正确运转。这些蛋白质变得不稳定,并改变它们的结构,或者与其他蛋白质相互作用,导致整个代谢途径分解。

1型糖尿病患者尤其处于高酸水平风险。他们的身体不能产生胰岛素——调节血糖水平的激素,所以他们的细胞不能吸取血液中的任何葡萄糖,并不得不利用另一种能量来源:储备脂肪。在这样做时,肝脏会产生β-羟丁酸——通过血液给肌肉和大脑供应能量的一种酸。然而,如果身体继续使用储备脂肪作为能量,这会产生非常多的酸,因此血液的pH值下降,而血液中循环的糖分子却没有使用。如果缺乏胰岛素没有引起注意或得不到及时治疗,1型糖尿病患者可能会死于酮酸中毒(ketoacidosis)——β-羟基丁酸酯过量引起的代谢休克。

目前,来自苏黎世联邦理工学院生物系统科学和工程系(D-BSSE)的一个生物工程师小组,开发出一种新的可植入分子器件,由两个模块组成:一个传感器,不断测量血液的pH值;一个基因反馈机制,产生必要数量的胰岛素。他们根据生物成分(如多种基因和蛋白质)构建了这两个模块,并将它们导入培养的肾细胞中。然后,研究人员将数百万个这样的定制细胞嵌入到胶囊中,可以用作体内植入物。

植入式分子器件的主体是pH传感器,其可以测量血液的精确酸度,对理想pH值的细微偏差反应很灵敏。如果pH值低于7.35,传感器会发送一个信号,触发胰岛素的产生。这样一种低的pH值对1型糖尿病是特异性的:虽然由于酗酒或运动引起的肌肉过度酸化,血液pH也会下降,但它不会低于7.35。胰岛素能保证机体正常细胞再次吸取葡萄糖,并从脂肪转化到糖作为它们代谢的能量来源,因此pH值会再次上升。一旦血液pH值返回到理想的范围内,传感器就会自动关闭,重编程细胞就会停止产生胰岛素。

研究人员已经在1型糖尿病及相关酸毒症小鼠中检测了他们的这一发明。结果看起来很有希翼:服用胶囊的小鼠产生了适合于它们个体酸测量的胰岛素数量。血液中的激素水平类似于自然调节胰岛素水平的健康小鼠。植入物还可补偿血糖的较大偏差。

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