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研究人员计划进一步探索基于电遗传学的细胞疗法，利用电信号和人工智能控制基因开关，实现更精准的治疗。
苏黎世联邦理工学院（ETH）的研究人员开发了一种新型基因开关，可以用一种市售的硝酸甘油贴片涂在皮肤上激活。有一天，研究人员希望使用这种开关来触发各种代谢疾病的细胞疗法。这一成果发表在《自然生物医学工程》杂志上，展示了基因开关在精准医疗中的巨大潜力。
人体精确而持续地调节新陈代谢，例如，胰腺中的专门细胞不断监测血液中的糖含量。当饭后血糖水平升高时，身体会设置一个信号级联运动，以便将其降下来。在糖尿病患者中，这种调节机制不再完全发挥作用。因此，受影响的人血糖过高，需要测量血糖水平，并注射胰岛素来调节血糖。与人体自身的机制相比，这是一种相对不精确的方法。
考虑到上述情况，瑞士苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系生物技术与生物工程教授Martin Fussenegger和他的团队已经研究细胞疗法一段时间了。有一天，人们希望这些疗法能使糖尿病等代谢性疾病得到单独和精确的治疗——甚至治愈。
但是这些细胞疗法是如何起作用的呢？首先，研究人员通过整合赋予细胞特殊能力的基因网络来修饰人类细胞。例如，这些细胞被植入皮肤下，网络被特定的外部刺激激活。
为此，研究人员近年来开发了各种类型的开关。有些可以用电控制，有些可以用光控制，还有一个甚至可以使用英国摇滚乐队女王的音乐。
“对我来说，这个解决方案是我和我的团队迄今为止建立的最好的基因开关，”Fussenegger说。原因是，这种开关可以用长期存在的活性成分硝化甘油来触发，而且应用的方法——在皮肤上贴一个贴片——非常简单。相应的贴片在任何药店都可以买到不同大小的贴片。
硝酸甘油迅速从贴片中扩散到皮肤中，在那里它遇到含有改良人类肾细胞的植入物。
这些细胞特异性地拦截硝化甘油，并有一种内在的酶将其转化为一氧化氮（NO），一种天然的信号分子。在体内，一氧化氮通常会引起血管扩张，导致血流量增加。它在几秒钟内被分解，因此只影响一个非常局部的区域。
植入的细胞经过修饰，使NO触发化学信使GLP-1的产生和释放，GLP-1反过来促进胰腺β细胞释放胰岛素，从而调节血糖水平。GLP-1也会引发饱腹感，从而减少食物摄入量。
这种新型开关完全由人类成分制成，也就是说，它不含其他物种的成分。苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系生物技术与生物工程教授Martin Fussenegger说：“这是一个突破性的新功能。对于来自其他物种的成分，总是存在误触发的风险，干扰人体自身的过程或免疫反应。在这里，我们可以排除这种可能性。”
在过去的20年里，这位ETH教授开发了各种不同的基因开关，其中一些可以对电流、声波或光等物理触发因素做出反应。哪一种类型最有可能在某一天被实现？
“物理触发很有趣，因为我们不需要使用干扰人体自身过程的分子，”生物技术专家说。他解释说，电信号是使用智能手机或智能手表等便携式电子设备控制开关和基因网络的理想选择，然后人工智能也可以被纳入其中。“因此，我认为电遗传细胞疗法最有可能实现。在化学开关方面，我认为新的解决方案处于领先地位。”
然而，这些基于基因开关的细胞疗法的进一步发展是一个复杂而漫长的过程。这位研究人员说：“将细胞疗法发展到市场成熟不仅需要几十年的时间，而且需要大量的工作人员和足够的资源。没有捷径。”
到目前为止，Fussenegger的工作主要集中在糖尿病的细胞疗法上，糖尿病是世界上最普遍的代谢疾病之一，影响着十分之一的人。“这是我们研究的典型疾病。然而，从根本上说，也有可能为其他代谢、自身免疫甚至神经退行性疾病开发细胞疗法——原则上，所有需要动态调节的疾病都可以。”根据Fussenegger的说法，许多药物就像一把锤子，被盲目地用来打击一个问题。“另一方面，细胞疗法以与身体相似的方式解决问题，”他说。
未来，研究人员计划进一步探索基于电遗传学的细胞疗法，利用电信号和人工智能控制基因开关，实现更精准的治疗。这一技术的突破为代谢性疾病的治疗提供了新的思路，也为未来的精准医疗带来了无限可能。
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