研究人员设计了用于治疗糖尿病的光激活细胞

塔夫茨大学的研究人员表明，可以通过光遗传学控制糖尿病小鼠模型中的葡萄糖水平。当暴露在阳光下时，移植到糖尿病小鼠中的工程化胰腺β细胞产生的胰岛素水平是正常水平的2至3倍以上。光开关细胞被设计为用来补偿在糖尿病患者中发现的胰岛素分泌较低或胰岛素反应降低。研究人员寻求开发一种新的方法来提高胰岛素的产生，同时保持胰岛素释放与血液中葡萄糖浓度之间的重要实时联系。他们使用光遗传学技术，通过编码可光激活腺苷酸环化酶（PAC）的基因来改造胰腺β细胞。 PAC暴露于蓝光下时会产生分子环状单磷酸腺苷（cAMP），这反过来会增强β细胞中葡萄糖刺激的胰岛素产生。

通过这种方法，胰岛素的产量可以增加两倍至三倍，但前提是血糖水平很高。在低葡萄糖水平下，胰岛素的产生仍然很低。这避免了糖尿病治疗的一个共同缺点，即糖尿病治疗可能会过度补偿胰岛素暴露，并使患者处于有害或危险的低血糖状态（低血糖症）。研究人员发现，将工程化的胰岛β细胞移植到糖尿病小鼠的皮肤下可以改善葡萄糖的耐受性和调节性，减少高血糖症的发生，并在蓝光照射下使血浆胰岛素水平更高。暴露于蓝光会使电池从正常模式切换到增强模式。“这是一种向后的类比，但实际上我们是使用光来打开和关闭生物开关，” Emmanuel Tzanakakis教授说。 “通过这种方式，我们可以在糖尿病的情况下帮助您更好地控制和维持适当的葡萄糖水平，而无需进行药物干预。这些细胞自然地完成胰岛素产生的工作，并且其中的调节电路也同样起作用。我们只是暂时增加β细胞中的cAMP量，以使它们仅在需要时才产生更多的胰岛素。”

研究人员诱导工程化的胰腺β细胞在暴露于蓝光时分泌胰岛素。胰岛素在此处显示为空间填充原子模型。由塔夫茨大学提供。

在β细胞中嵌入光遗传网络以进行葡萄糖刺激胰岛素分泌的生理相关控制可以实现新的解决方案，从而可能克服目前糖尿病治疗的缺点。研究人员张凡说：“使用光来控制治疗有很多优势。”“尽管胰岛素分泌增加，但细胞消耗的氧气量并未发生明显变化。在涉及移植胰腺细胞的研究中，缺氧是一个普遍的问题。”这种方法的进一步发展包括嵌入光源（例如，微小的远程触发LED）以改善照明，并耦合到葡萄糖传感器以创建生物人工胰腺装置。在许多生物系统中正在探索使用光可活化蛋白来调节细胞功能这种光遗传学方法，并为开发新的治疗方法提供了动力。