根据体重、年纪以及体内生物代谢行为来服用药物并不能实现真正的个体化精确给药，也不能反映复杂代谢干预所需的动力学。因而科学家们把目光投到了设计可植入的工程细胞，根据个体内生物化信号精确调整相应蛋白质的生产分泌与运输。一系列的技术利用各种途径尝试在体外远程调控细胞信号达到精确控制细胞功能，并使细胞过程的深入研究和治疗工具的发展成为可能。其中光遗传学、机械发生学和磁遗传学等物理启动方式，因其避免了化学类反应触发带来的副作用以及在生物利用度或药效学方面可能存在的隐患，而受到研究者的青睐。而这种物理方式需要高能量输入来触发基因开关，并通常涉及复杂的辅助因子。对工程细胞进行无辅因子式直接电刺激，以稳固、可调节和可重复的方式控制蛋白质类药物的囊泡分泌，将通过实现电子设备和工程细胞之间的直接通信，为医疗应用提供实质性的优势。

考虑到细胞新陈代谢和电子设备在信号输入、信息处理和反应输出方面有着相似的工作原理。胰岛素的释放就是一个典型例子，血液中高含量的葡萄糖刺激胰岛β细胞，三磷酸腺苷介导的钾通道关闭，质膜的去极化和电压门控钙通道的开放，导致细胞内Ca²⁺激增和同时从细胞内储存囊泡快速释放胰岛素。那么就可以考虑在基因表达或囊泡分泌与电刺激之间安装一个生物电子接口，该接口管理电极和电敏设计细胞之间的导电，以及通过去极化将电子信息转换为蛋白质生产和释放的信号。

为此，苏黎世联邦理工学院的MartinFussenegge团队提出了一种无辅因子的生物电子接口，它通过无线电来刺激工程细胞进行转基因表达或快速分泌蛋白质。原理是通过内源性钙信号转导，将L型电压门控通道Ca_V1.2和内向整流钾通道K_ir2.1的异位表达耦合到期望的输出，从而实现了电调控。具体到疾病模型是针对Ⅰ型糖尿病，文中设计了电敏感的人β工程细胞(_Electrobβ cells)。在定制的生物电子装置内对_Electrobβ细胞进行无线电刺激，实时控制囊泡胰岛素释放；胰岛素水平在10分钟内达到峰值。当皮下移植时，这种电刺激的囊泡释放系统恢复了Ⅰ型糖尿病小鼠的血糖正常。该成果以“Electrogenetic cellular insulin release for real-time glycemiccontrol in type 1 diabetic mice”为题，发表在Science杂志。

电遗传学哺乳动物转录调控装置的设计

电遗传学使用的细胞是通过电压依赖性受体（如电压门控离子通道）的表达来对电刺激做出反应的。Krawczyk等人利用电压门控钙通道（Ca_V1.2）与内向整流钾通道（K_ir2.1）耦合完成电压门控电路，并对人类胚胎肾细胞（_ElectroHEK）的基因表达提供高度控制。利用电压控制的方脉冲，作者证明了一种简单的标记蛋白，分泌的胚胎碱性磷酸酶的电刺激表达，表达量受电压、脉冲长度和刺激持续时间的控制。

生物电子植入物的设计

为了使电敏细胞能够在体内实现电刺激的转基因表达，研究人员设计了一种无线供电的生物电子植入物。将定制的细胞培养插入物（一层含有电敏细胞的半透膜，两侧接有电极）装入聚酰胺外壳中，同时包含能够产生单极脉冲电刺激的开关。该硬币般大小的植入物电子电路由体外磁场发生器感应供电和控制，电压取决于到场发生器中心的距离，对25—50°C之间的温度不敏感并具有良好的密闭性不会渗漏细胞。

由于_ElectroHEK细胞是以转录为基础产生胰岛素的，它缺乏天然胰腺β细胞所特有的囊泡分泌的快速释放动力学。为了设计哺乳动物细胞的电刺激胰岛素囊泡释放，我们通过选择葡萄糖敏感性不足，但保留了囊泡胰岛素分泌机制，获得了一个单克隆胰腺β细胞株（_Electroβ细胞）。该细胞对KCl介导或电刺激的膜去极化反应显示出很好的囊泡性胰岛素分泌，而不是对葡萄糖浓度的变化作出反应，并刺激开始后10分钟内出现分泌高峰。此外为了说明方法的普适性，该团队还证明了电刺激的胰岛α细胞囊泡分泌胰高血糖素。 

安全有效地精确控制小鼠胰岛素分泌，调节血糖水平

作者将这些体外实验结果扩展到糖尿病小鼠模型中，方法是将电刺激细胞包埋在可皮下植入的电刺激装置中。在短暂的电刺激后，_Electroβ细胞可以迅速降低血糖水平以恢复正常血糖，仅在电刺激后1小时出现峰值信号，2小时后恢复到基线。在不引起低血糖漂移的情况下重建胰岛素缺乏型Ⅰ型糖尿病小鼠的餐后糖代谢，效果媲美健康人的胰岛。

文章最后说明了该装置的生物安全性，值得注意的是作者并没有观察到机体形成植入物-组织界面的局部免疫细胞浸润或实质性的纤维组织，没有出现周围血管纤维包膜的差异或免疫细胞浸润现象。该植入生物电子设备三周后可以更换电敏β细胞，而不需要手术切除或更换植入物，这样将降低成本以及与植入物相关的感染，同时增加治疗的便利性和效果。

总结

囊泡可以快速释放胰岛素，对餐后血糖激增做出敏捷反应，十分有益于糖尿病的治疗。该团队证明，用无线电来刺激生物电子植入物中包裹的电敏β工程细胞，可以让其囊泡快速释放胰岛素来缓解Ⅰ型糖尿病小鼠的餐后高血糖，其性能与移植的人胰岛相当。优势：①将生物电子植入物的所有组件集成到3D打印的聚酰胺外壳中，可以降低生产成本。②电刺激促进囊泡分泌胰高血糖素。在两种不同类型的细胞中表明，未来基于细胞的治疗中对于电刺激激素释放具有广泛的潜在适用性。③具有通过集成微控制器和/或血糖仪到生物电子植入物中以实现胰岛素闭环控制的可能。

采用无线电子设备，通过设备和植入细胞之间的直接通信，对生物制药的释放进行编程，作者推测这将为个人优化的先进精密医疗开辟许多新的机会，并在不久的将来，人们可以通过智能手机和智能手表等可穿戴设备进行远程无线电干预。

除了本篇文章的电遗传学方法外，Science解读中还介绍了其他远程调控细胞的方法。

光遗传学

光遗传学可能是研究最充分的远程控制细胞功能的方法，它使得通过光照来远程控制目标基因的表达成为可能。精确的光波长刺激特定波长的光敏受体和离子通道，例如有文献报道用智能手机控制光遗传生物医学植入物来上传指令，让设计细胞生产并系统地输送治疗剂量的胰岛素多肽，从而实现对Ⅱ型糖尿病的血糖控制。细菌通道视紫红质(ChR)作为一种钙离子传导光感受器的发现导致了无数的应用，包括用毫秒的尺度来控制神经元动作电位。然而，较差的组织光穿透深度需要光纤植入物，尽管最近的研究利用近红外光来激活镧系元素掺杂的纳米颗粒来发射可见光，这可能有助于克服可获得性限制。

机械遗传学

机械遗传学涉及具有深层组织穿透深度的物理刺激，例如聚焦超声(FUS)，以激活机械敏感感受器。例如，基因导入体外培养的大鼠海马神经元的双孔结构域钾离子通道被FUS激活以驱动膜去极化。被链霉亲和素修饰的微囊，可以靶向生物素化的Piezo1机械敏感通道，从而控制Ca²⁺依赖的基因表达，这成为一种潜在的癌症治疗方法。

磁性遗传学

另一种类似时空控制和组织穿透的远程物理技术是磁发生技术，它使用时变磁场来激活针对细胞受体的磁性纳米颗粒。早期的磁性遗传学研究使用定位于目标受体的外部磁性氧化铁纳米颗粒，如瞬时受体电位(Trp)香草素1(TRPV1)阳离子通道，暴露在磁刺激下以控制Ca²⁺进入细胞。最近，已经使用遗传编码的铁蛋白开发了该平台的几个变体，铁蛋白是一种内源性笼状蛋白，负责通过将铁作为磁性纳米颗粒隔离来维持铁的稳态，并被设计为与Trp通道结合。将表达铁蛋白结合的TRPV1平台的细胞暴露在465 kHz交变磁场(AMF)刺激下，可以在体外控制依赖于Ca²⁺的胰岛素的产生，以及控制小鼠的血糖浓度和进食行为。

尽管这些平台都有其固有的局限性（光照细胞毒性，使用细菌，需要各种辅助因子），但它们都表现出了适用性，下一步可能是研究这些方法的协同使用。例如，自含式植入物可以作为多模式监测和治疗设备，用于基础研究以及疑难杂症的治疗。

参考文章：

[1]Krzysztof Krawczyk et al., (2020), Electrogenetic cellular insulin release forreal-time glycemic control in type 1 diabetic mice, Science, DOI:10.1126/science.aau7187

[2]Matthew I. Brier and Jonathan S. Dordick, (2020), Remote activation of cellular signaling, Science, DOI: 10.1126/science.abb9122