Science子刊封面：华东师大叶海峰课题组实现手机远程诊疗糖尿病

糖尿病目前已经成为严重影响人类健康的慢性疾病，全世界的患者超过4亿人。据统计，仅美国2013年与糖尿病相关的诊断治疗支出就达到约1014亿美元，这既意味着巨大的医疗负担，又代表着巨大的市场机会。随着智能手机的普及，基于智能手机的移动医疗已经成为未来医疗健康行业的发展方向之一。就糖尿病而言，智能手机已经开始在血糖监控中发挥作用（点击阅读相关），但还没有办法实现手机控制的诊疗一体化和智能化。

4月26日，国际著名学术期刊、Science子刊《科学-转化医学》（Science Translational Medicine）以封面文章形式在线发表了来自华东师范大学生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室叶海峰研究员（点击查看介绍）课题组的最新研究成果，他们在基于智能手机远程诊疗糖尿病方面做出了重要突破。叶海峰研究员课题组利用多学科交叉联合设计，结合电子工程、软件工程与合成生物工程学，首次实现通过智能手机超远程调控治疗糖尿病。叶海峰研究员为该研究论文的唯一通讯作者，2016级博士研究生邵佳伟为第一作者。

杂志封面。图片来源：Sci. Transl. Med.

叶海峰研究员（左）和邵佳伟（右）。图片来源：华东师范大学

近几年来，智能手机的功能和性能都得到了飞速的发展，已经远远不是最初单纯的通话设备。智能手机中的高清相机、全球定位系统、高性能处理器等硬件，结合高速移动通讯网络和多种多样的应用软件，已经成为普及率最高的智能电子设备。同时，智能手机也成为移动医疗的重要组成部分，在疾病检测中已经有了不少应用。但是，对糖尿病而言，目前智能手机仅有诊断和检测功能，而无法控制治疗过程。叶海峰研究员课题组巧妙地结合合成生物学与电子工程学，使用可产生降血糖激素的远红光响应的工程化细胞以及亮度、开关可控的无线供电远红光发光二极管（LED），开发了一种基于智能手机的糖尿病诊断和治疗一体化的智能诊疗新系统（见下图），并在糖尿病小鼠中进行了功能验证。通过使用智能手机应用软件（App）ECNU-TeleMed，研究人员可超远程控制远红光亮度来调控工程化细胞的激素表达量；另外，糖尿病小鼠的血糖高低信号可以被转化翻译成远红光亮度来调控激素的表达量。

基于智能手机的糖尿病诊疗一体化智能系统设计示意图。图片来源：Sci. Transl. Med.

首先，研究人员基于光遗传学技术，设计合成了远红光调控基因表达的工程细胞，该定制化的工程细胞在远红光的照射下，可被激活并表达任何目的报告基因或药物蛋白，例如绿色荧光蛋白或胰岛素等。在本文中，研究人员使用了两种可降低血糖的激素：人胰高血糖素样肽-1的短变体（shGLP-1）或鼠胰岛素。

随后，研究人员将能表达鼠胰岛素的远红光响应工程细胞移植到糖尿病小鼠的皮下，当给予糖尿病小鼠直接远红光照射，皮下移植的细胞被激活，表达鼠胰岛素并起到良好的降血糖效果。实验结果显示，利用该治疗方法每天光照2-4小时，就可以使糖尿病小鼠的血糖维持在正常水平，并保持长达半个月的时间。更重要的是，这种方法起效非常快，只需要远红光照射1-2小时，糖尿病小鼠的血糖就显著降低到正常水平。这些特点对于糖尿病的治疗来说至关重要。

远红光直接照射糖尿病小鼠，激活移植的光响应工程化细胞表达胰岛素，降低血糖水平。图片来源：Sci. Transl. Med.

为了实现诊疗的一体化和智能化，最后研究人员采用多学科联合策略设计开发了糖尿病诊疗一体化智能控制系统。受当下发展迅猛的“智能家居”启发，研究人员构建了智能控制器（SmartController），作为可以接收和处理无线输入信号的智能服务器。研究人员使用藻酸盐水凝胶将工程化细胞和可无线供电的远红光LED结合起来，制成水凝胶LED复合体（HydrogeLED）植入物，并将其植入糖尿病小鼠体内。使用血糖仪检测小鼠尾静脉血，获得血糖浓度并通过蓝牙无线发送到智能控制器和智能手机中。当血糖浓度高于预先设定的安全血糖阈值时，智能控制器可以控制电磁场强度，通过无线供电的方式点亮水凝胶LED复合体中的远红光LED，激活工程化细胞产生胰岛素或shGLP-1，降低血糖至正常水平并维持其稳定，最终实现自动诊断、精准治疗的目的。此外，如果智能手机中显示治疗异常，亦可以强制控制智能控制器，进行优化方案治疗。

通过智能手机可远程控制HydrogeLED植入物中远红光LED亮度，从而控制胰岛素的表达量实现精准治疗糖尿病。图片来源：Sci. Transl. Med.

这一颇具想象力并整合合成生物学与电子工程学技术的糖尿病诊疗智能系统，为今后临床上糖尿病的诊疗一体化、智能化和精准化提供了新思路，有望成为未来精准医疗的新风向标。

本研究工作获得了国家科技部干细胞重大专项、国家自然科学基金委、上海市科委和华东师范大学人才队伍启动经费资助。此外，该研究也获得了华东师范大学研究生院授予2016级博士研究生薛帅（本文第二作者）“优秀博士学位论文培育资助项目”的资助。

该论文作者为：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*

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

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

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

通讯作者简介

叶海峰研究员于2007.8-2013.12在瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）从事博士和博士后研究工作。于2014年2月底回到母校华东师范大学受聘为“紫江优秀青年学者”，担任生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室研究员、博士生导师。主要从事合成生物学与生物医学工程领域的研究。2015年获得国家自然科学基金委“优青”资助。叶海峰博士回国工作三年期间，带领自己的研究生团队以通讯作者身份在Science Translational Medicine, Nature Biomedical Engineering, Molecular Therapy 等高影响力杂志发表研究论文。

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

参考文献：

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 and Haifeng 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, Jörg Stelling*, Martin Fussenegger*, β-cell-mimetic designer cells provide closed-loop glycemic control. Science, 354, 1296-1301 (2016)

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