新功能、新界面、新体验,扫描即可下载生物谷APP!
首页 » 利用合成生物学的技术手段来解决糖尿病智能诊疗

利用合成生物学的技术手段来解决糖尿病智能诊疗

来源:本站原创 2018-04-02 13:22

小编推荐会议:2018基因编辑与基因治疗国际研讨会

导语:作为2018基因编辑与基因治疗国际研讨会的特邀嘉宾,叶海峰研究员将在5月17号的研讨会上与各方学者进行学术交流并做精彩报告。以下是叶海峰研究员的专访。




叶海峰,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研究员,博士生导师。2007.8-2013.12 期间,在瑞士苏黎世联邦理工大学(ETH Zurich)获得博士学位和从事博士后研究并获得瑞士苏黎世联邦理工大学最高荣誉奖章:“ETH Silver Medal”。2014 年 2 月回国受聘为华东师范大学“紫江优秀青年学者”,主要从事合成生物学与生物医学工程领域的研究。主要研究内容包括:光遗传学与疾病治疗、代谢疾病智能诊疗器件、肿瘤免疫治疗智能诊疗器件、合成生物学与再生医学、生物计算机。

相关研究成果发表在 Science、Science Translational Medicine(封面文章)、Nature Biomedical Engineering、PNAS、Molecular Therapy、Nucleic Acids Res 等杂志。其研究成果被多家著名学术杂志 Cell、Nature Medicine、Nature Chemical Biology、Nature Review Molecular Biology 等做亮点报道。此外,还接受来自国内、外近百家学术媒体采访。如新华社、CCTV(英文频道)、BBC、AAAS、MIT Technology Review、ScienceDaily、ScienceNow、FOCUS、Discover 和 Lab Times 等。

目前主持国家自然科学基金项目 3 项、参与科技部干细胞重大研究计划(骨干)1 项、上海市科委重点项目 1 项以及上海市“青年科技启明星”人才项目一项。先后担任 Nature Chemical Biology、Nature Communications、Nucleic Acids Res.、Journal of Biotechnology、Oncotarget 等学术期刊审稿人。




生物谷:叶教授您好,非常感谢您参加生物谷主办的2018基因编辑与基因治疗研讨会。您主要从事哺乳动物细胞合成生物学与生物医学工程的研究,请问您当初为什么会选择这个研究方向?

 
回答:2007年我有幸获得赴瑞士苏黎世联邦理学院攻读博士的机会,师从哺乳动物合成生物学专家Martin Fussenegger教授。当时课题组的研究主要聚焦在设计、合成新型基因表达调控系统。因此,当初我就在思考是否可以用光来调控转基因表达。另外,我的硕士导师吴自荣教授是研究糖尿病药物修饰的,我自然而然把两者有机结合在了一起,希望能够实现光控降血糖蛋白药物的表达来达到治疗糖尿病的目的。通过这一项目的研究,我们逐渐发展起合成生物学与疾病治疗这个研究方向。因此,回国工作后,我更加明确我未来的研究领域将聚焦在利用合成生物学的技术手段来解决疾病智能诊疗的问题,所以我给自己课题组的研究方向起了这样的一个名字:合成生物学与生物医学工程。
 
生物谷:近两年来,合成生物学取得了比较显著的进展,特别是中国科学家团队完成了4条真核生物酿酒酵母染色体的从头设计与化学合成,在国际上获得一席之地,中国成为继美国之后第二个具备真核基因组设计与构建能力的国家。您在该领域也取得了一些成果,您认为合成生物学的难点在什么地方?未来的发展方向又是什么?
 

回答:合成生物学在医药、能源以及农业领域上展现出极大的应用潜力,催生了大量创新科技成果。合成生物学涉及领域非常广泛,可谓百花齐放,百家争鸣,所以各个方向都有许多难点问题。但主要面临一些技术创新和安全伦理的难点,如在技术创新上,虽然我们已成功构建出一些精巧的基因网络,但这些基因网络仅限于单层或多层基因回路,若构建、测试一些像电子计算机那样更为精确、复杂的基因网络仍存在巨大的挑战性。此外,人工合成的基因网络存在组件不兼容性、系统不稳定的局限性,这些难题都会阻碍复杂基因网路的构建及其应用。在安全伦理上,如何规避、控制人工合成的新生命体对环境造成负面影响、污染自然基因库以及破坏生态等风险也是未来合成生物学发展的一个议题。在未来,合成生物学的发展将围绕“复杂”和“安全”两个方向展开,我们需要构建适用于复杂环境系统的更加复杂、智能化的基因网络来分析和响应更加多元化的信息;其次,我们需要重视生物安全、环境安全问题,构建生物安全性更高,环境更友好型的基因网络乃至新生命个体。


对于我们课题组来说:我们设计构建的基因电路大多针对哺乳动物细胞量身打造,而经过导入基因电路的哺乳动物细胞,在安全性、时效性以及应用扩展性方面都备受当代医学诊疗和伦理学等领域诟病,因此找到一种高度安全、具有长时高效性能的底盘细胞非常重要,因为其直接影响哺乳动物细胞合成生物学在临床医学研究应用的发展。这一直以来都是我们团队在研究中努力的方向和目标。未来,相信我们的定制化细胞可通过3D打印技术获得智能细胞芯片或者成为电子药物等智能诊疗产品。
 
 
生物谷:您的其中一个研究方向是以人工合成的基因回路为基础的基因治疗和细胞治疗,您可以详细解释一下这是如何实现的吗?这个回路目前主要针对哪些疾病进行基因治疗和细胞治疗?
 
回答:一般来说,我们构建的基因回路当以质粒、病毒或细胞等形式导入体内,外界的物质如化学小分子、光、微波等或体内环境的生物标记物如血糖、抗原、代谢信号等可精准调控设计合成的基因回路产生特定的蛋白药物、免疫因子、核酸内切酶等,从而起到恢复体内正常的代谢活动、杀死肿瘤以及修复基因等效果。
例如在Nature Biomedical Engineering上发表的“智能胰岛素传感器”这个工作,是一种能自我回馈调节的胰岛素传感器,该传感器能在多种胰岛素抵抗小鼠模型中感应胰岛素浓度并使胰岛素抵抗的症状得到有效缓解。我们将转有这种胰岛素传感器的稳转细胞系,通过微囊包裹技术,移植到胰岛素抵抗性糖尿病、肥胖症、饮食诱导性肥胖症等多种高胰岛素血症小鼠模型中,通过自动感应血液胰岛素浓度的变化,精准调控细胞表达脂联素(adiponectin) 或胰高血糖素样肽(GLP-1),有效地降低血脂和血糖,从而缓减胰岛素抵抗的症状。


这种基于通过感应病理条件下的特殊标志物,针对性调控特定功能基因的表达来改善病症,其可以高效识别生理和病理条件下的标志物水平,并且可以相应地调整特定功能基因的表达强度。这将在肿瘤、免疫、糖尿病、痛风等多种疾病诊断和治疗研究中,有极大的应用意义!
 
 
生物谷:我们注意到,就在去年,您在Science子刊、Nature子刊连续发表了三篇关于糖尿病智能诊疗设备的顶级文章,其中一篇是用合成生物学理念,设计合成了远红外光调控基因表达的定制化细胞。请问如何做到胰岛素分泌剂量的精确调控?这一技术的安全性怎样?

 
回答:在这个研究工作中,我们首先利用合成生物学的原理,设计合成了远红光(~730nm)调控转基因表达的基因电路系统。利用来自微生物中的几个功能性蛋白质,人工设计合成了受远红光调控的基因电路系统,将该合成的基因电路上载到动物细胞HEK-293中,获得光控定制化细胞,其在远红光的照射下就可调控目的基因的表达,比如表达分泌胰岛素或胰高血糖素样肽(shGLP-1)。然后,我们采用多学科联合设计原则,结合合成生物学、光遗传学、细胞移植技术、电子工程和软件工程,设计开发了糖尿病诊疗一体化智能手机控制系统。工作原理大致如下:首先,我们可以通过自己编写的手机ECNU-TeleMed app远程控制LED亮度,从而可以调控定制化细胞中目标基因的表达量;其次,小鼠的血糖值由血糖仪读取获得后通过蓝牙分别传送到定制的智能控制器和智能手机中,当血糖值高于预先设定安全血糖阈值时,智能控制器可以点亮移植在小鼠体内含有定制化细胞的水凝胶LED复合体(HydrogeLED),使其照射定制化细胞表达分泌胰岛素或shGLP-1达到维持血糖稳定的作用,实现自我诊断、自我治疗的目的。该研究工作实现了对糖尿病小鼠诊疗一体化的智能治疗,并取得了良好的治疗效果,为今后临床上糖尿病诊疗一体化、数字精准治疗糖尿病提供了新思路与新策略。该种个性化、数字化治疗策略有望成为未来精准医疗的新的风向标。


我们开发的这套系统要用于临床还有很长的路要走,但是个人还是非常看好的。我认为目前主要的瓶颈就是安全问题、长期可靠性问题。但是这两个大问题我们也有了相应的解决方案或者说是思路,我们后面的研究工作也将会瞄准这两个主要瓶颈问题。例如用糖尿病人的自体细胞代替我们现在用的HEK293细胞,我们也将会升级现有的移植方案,让体内移植更安全可靠。此外,我们目前开发的这套智能手机诊疗糖尿病系统还是半自动化的,所以我们的下一步目标就是做全自动化的诊疗系统。
 
本期采访到此结束,想与叶海峰研究员及一线大咖面对面交流请点击进入会议官网报名:

会议名称:2018基因编辑与基因治疗研讨会

会议时间:2018-5-17到18

会议地点:上海杨浦区佳木斯路777号小南国花园酒店

报名官网:http://meeting.bioon.com/2018GeneEditing?__token=JByhf



版权声明:本文系生物谷原创编译整理,未经本网站授权不得转载和使用。如需获取授权,请点击
温馨提示:87%用户都在生物谷APP上阅读,扫描立刻下载! 天天精彩!


相关标签

最新会议 培训班 期刊库