Science子刊封面：華東師大葉海峰課題組實現手機遠程診療糖尿病

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糖尿病目前已經成為嚴重影響人類健康的慢性疾病，全世界的患者超過4億人。據統計，僅美國2013年與糖尿病相關的診斷治療支出就達到約1014億美元，這既意味著巨大的醫療負擔，又代表著巨大的市場機會。隨著智能手機的普及，基於智能手機的移動醫療已經成為未來醫療健康行業的發展方向之一。就糖尿病而言，智能手機已經開始在血糖監控中發揮作用（點擊閱讀相關），但還沒有辦法實現手機控制的診療一體化和智能化。

4月26日，國際著名學術期刊、Science子刊《科學-轉化醫學》（Science Translational Medicine）以封面文章形式在線發表了來自華東師範大學生命科學學院、上海市調控生物學重點實驗室葉海峰研究員課題組的最新研究成果，他們在基於智能手機遠程診療糖尿病方面做出了重要突破。葉海峰研究員課題組利用多學科交叉聯合設計，結合電子工程、軟體工程與合成生物工程學，首次實現通過智能手機超遠程調控治療糖尿病。葉海峰研究員為該研究論文的唯一通訊作者，2016級博士研究生邵佳偉為第一作者。

雜誌封面。圖片來源：Sci. Transl. Med.

葉海峰研究員（左）和邵佳偉（右）。圖片來源：華東師範大學

近幾年來，智能手機的功能和性能都得到了飛速的發展，已經遠遠不是最初單純的通話設備。智能手機中的高清相機、全球定位系統、高性能處理器等硬體，結合高速移動通訊網路和多種多樣的應用軟體，已經成為普及率最高的智能電子設備。同時，智能手機也成為移動醫療的重要組成部分，在疾病檢測中已經有了不少應用。但是，對糖尿病而言，目前智能手機僅有診斷和檢測功能，而無法控制治療過程。葉海峰研究員課題組巧妙地結合合成生物學與電子工程學，使用可產生降血糖激素的遠紅光響應的工程化細胞以及亮度、開關可控的無線供電遠紅光發光二極體（LED），開發了一種基於智能手機的糖尿病診斷和治療一體化的智能診療新系統（見下圖），並在糖尿病小鼠中進行了功能驗證。通過使用智能手機應用軟體（App）ECNU-TeleMed，研究人員可超遠程控制遠紅光亮度來調控工程化細胞的激素表達量；另外，糖尿病小鼠的血糖高低信號可以被轉化翻譯成遠紅光亮度來調控激素的表達量。

基於智能手機的糖尿病診療一體化智能系統設計示意圖。圖片來源：Sci. Transl. Med.

首先，研究人員基於光遺傳學技術，設計合成了遠紅光調控基因表達的工程細胞，該定製化的工程細胞在遠紅光的照射下，可被激活並表達任何目的報告基因或藥物蛋白，例如綠色熒光蛋白或胰島素等。在本文中，研究人員使用了兩種可降低血糖的激素：人胰高血糖素樣肽-1的短變體（shGLP-1）或鼠胰島素。

隨後，研究人員將能表達鼠胰島素的遠紅光響應工程細胞移植到糖尿病小鼠的皮下，當給予糖尿病小鼠直接遠紅光照射，皮下移植的細胞被激活，表達鼠胰島素並起到良好的降血糖效果。實驗結果顯示，利用該治療方法每天光照2-4小時，就可以使糖尿病小鼠的血糖維持在正常水平，並保持長達半個月的時間。更重要的是，這種方法起效非常快，只需要遠紅光照射1-2小時，糖尿病小鼠的血糖就顯著降低到正常水平。這些特點對於糖尿病的治療來說至關重要。

遠紅光直接照射糖尿病小鼠，激活移植的光響應工程化細胞表達胰島素，降低血糖水平。圖片來源：Sci. Transl. Med.

為了實現診療的一體化和智能化，最後研究人員採用多學科聯合策略設計開發了糖尿病診療一體化智能控制系統。受當下發展迅猛的「智能家居」啟發，研究人員構建了智能控制器（SmartController），作為可以接收和處理無線輸入信號的智能伺服器。研究人員使用藻酸鹽水凝膠將工程化細胞和可無線供電的遠紅光LED結合起來，製成水凝膠LED複合體（HydrogeLED）植入物，並將其植入糖尿病小鼠體內。使用血糖儀檢測小鼠尾靜脈血，獲得血糖濃度值並通過藍牙無線發送到智能控制器和智能手機中。當血糖濃度高於預先設定的安全血糖閾值時，智能控制器可以控制電磁場強度，通過無線供電的方式點亮水凝膠LED複合體中的遠紅光LED，激活工程化細胞產生胰島素或shGLP-1，降低血糖至正常水平並維持其穩定，最終實現自動診斷、精準治療的目的。此外，如果智能手機中顯示治療異常，亦可以強制控制智能控制器，進行優化方案治療。

通過智能手機可遠程控制HydrogeLED植入物中遠紅光LED亮度，從而控制胰島素的表達量實現精準治療糖尿病。圖片來源：Sci. Transl. Med.

這一頗具想像力並整合合成生物學與電子工程學技術的糖尿病診療智能系統，為今後臨床上糖尿病的診療一體化、智能化和精準化提供了新思路，有望成為未來精準醫療的新風向標。

本研究工作獲得了國家科技部幹細胞重大專項、國家自然科學基金委、上海市科委、青年千人計劃和華東師範大學人才隊伍啟動經費資助。此外，該研究也獲得了華東師範大學研究生院授予2016級博士研究生薛帥（本文第二作者）「優秀博士學位論文培育資助項目」的資助。

該論文作者為：Jiawei Shao, Shuai Xue, Guiling Yu, Yuanhuan Yu, Xueping Yang, Yu Bai, Sucheng Zhu, Linfeng Yang, Jianli Yin, Yidan Wang, Shuyong Liao, Sanwei Guo, Mingqi Xie, Martin Fussenegger and Haifeng Ye*

Smartphone-controlled optogenetically engineered cells enable semiautomatic glucose homeostasis in diabetic mice

Sci. Transl. Med.,2017,9, eaal2298, DOI: 10.1126/scitranslmed.aal2298

通訊作者簡介

葉海峰研究員於2007.8-2013.12在瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zürich）從事博士和博士後研究工作。於2014年2月底回到母校華東師範大學受聘為「紫江優秀青年學者」，擔任生命科學學院、上海市調控生物學重點實驗室研究員、博士生導師。主要從事合成生物學與生物醫學工程領域的研究。2014年入選中央組織部第十一批「青年千人計劃」，2015年獲得國家自然科學基金委「優青」資助。葉海峰博士回國工作三年期間，帶領自己的研究生團隊以通訊作者身份在Science Translational Medicine,Nature Biomedical Engineering,Molecular Therapy等高影響力雜誌發表研究論文。

http://www.x-mol.com/university/faculty/40440

參考文獻：

1. Jiawei Shao, Shuai Xue, Guiling Yu, Yuanhuan Yu, Xueping Yang, Yu Bai, Sucheng Zhu, Linfeng Yang, Jianli Yin, Yidan Wang, Shuyong Liao, Sanwei Guo, Mingqi Xie, Martin Fussenegger,Haifeng Ye*，Smartphone-controlled optogenetically engineered cells enable semiautomatic glucose homeostasis in diabetic mice.Sci. Transl. Med.,9, eaal2298 (2017) (Cover story)

2.Haifeng Ye*, Mingqi Xie, Shuai Xue, Ghislaine Charpin-El Hamri, Jianli Yin, Henryk Zulewski and Martin Fussenegger*, Self-adjusting synthetic gene circuit for correcting insulin resistance.Nat. Biomed. Eng.,1, 0005 (2016).（co-first and co-corresponding author)

3. Shuai Xue, Jianli Yin, Jiawei Shao, Yuanhuan Yu, Linfeng Yang,Yidan Wang, Mingqi Xie, Martin Fussenegger andHaifeng Ye*, A synthetic biology-inspired therapeutic strategy for targeting and treating hepatogenous diabetes.Molecular Therapy,25:443-455 (2017)

4. Mingqi Xie,Haifeng Ye, Hui Wang, Ghislaine Charpin-El Hamri, Claude Lormeau, Pratik Saxena, J?rg Stelling*, Martin Fussenegger*, β-cell-mimetic designer cells provide closed-loop glycemic control.Science, 354, 1296-1301 (2016)

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