Science：植入式柔性电子器件揭示了人类胰岛细胞电成熟的原理

一种新型电子植入系统可以帮助实验室培养的胰腺细胞成熟并正常运作，可能为基于细胞的新型糖尿病疗法提供基础。根据发表在《科学》杂志上的一项研究，这种由宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院和哈佛大学工程与应用科学学院的研究人员开发的方法，将一层超薄导电网格融入正在生长的胰腺组织中。

"'仿生'、'电子控制'、'半机械人'，所有这些词都可以用来形容我们创造的装置。"细胞与发育生物学助理教授Juan Alvarez博士说。虽然这些术语听起来可能很未来主义，但他指出，这种方法已经以深部脑刺激的形式应用于临床，用于治疗神经系统疾病。

"我们所做的就像对胰腺进行深部刺激。就像起搏器帮助心脏保持节律一样，受控的电脉冲可以帮助胰腺细胞按预期的方式发育和运作。"他说。

实验室培养胰腺组织的生长困境

在1型糖尿病中，免疫系统错误地攻击称为胰岛的激素分泌细胞簇，破坏它们产生降低血糖的信号分子胰岛素的能力。美国疾病控制与预防中心估计，2021年约有200万各年龄段美国人患有此病。

在最严重的1型糖尿病病例中，偶尔也在2型糖尿病中，患者需要替换受损和丢失的细胞——要么移植整个胰腺、部分胰腺，或者仅移植胰岛细胞。

所有这些选择通常供应短缺，迫使患者等待一年或更长时间才能进行胰腺或胰岛细胞移植。手术后，他们必须终身服用免疫抑制药物，以确保身体不排斥移植物。然而，实验室培养的胰腺组织则没有这些缺点。

Alvarez实验室的研究人员与哈佛大学Jia Liu实验室合作，将一层精细的导电网格植入正在发育的胰腺组织切片中，该网格能够检测来自胰岛细胞的电信号。

然后，他们引入了一种自然的、24小时的电活动节律，促使细胞成熟并对糖分作出正确反应——克服了在体外培养功能齐全的胰腺组织的主要挑战。这种替代性移植方法有望大幅扩大新组织的供应，并且如果设计得当，还能降低排斥风险。

这种引导人类干细胞产生β细胞和其他激素分泌细胞的方法已经在临床试验中进行测试。然而，一个关键挑战依然存在：即使有了这种电刺激，实验室培养的细胞也常常不能完全成熟，并且可能无法像天然细胞那样可靠地释放胰岛素和其他激素。

让细胞按日程表工作

Alvarez和共同资深作者Jia Liu博士着手探究细胞如何能够完成它们的使命。"我喜欢称之为细胞获得博士学位的时候，"Alvarez说。"这时细胞不再像未确定专业的本科生，而是投身于成为胰腺或胰岛细胞的职业道路。"

Alvarez的实验室专门培养称为类器官的三维胰腺组织切片，而Liu的实验室则开发类组织的电子植入物。

为了制造这种半机械人组织，他们将一层可拉伸的网格——比人的一根头发还细——置于细胞层之间，细胞随后聚集在一起形成胰岛。这种设置使得团队能够记录单个胰岛细胞在两个月内的电活动，并对这种转变（包括昼夜节律的作用）获得新的认识。

在先前的研究中，Alvarez的实验室表明，将功能未成熟的细胞暴露于昼夜节律下，就像身体调节睡眠-清醒周期、消化和其他系统的自然的24小时生物钟，会促使细胞完全发育成其成熟的、特化的角色。团队发现，四天后，细胞继续自主循环。

这种新节律促使胰岛细胞成熟，以便在正确的时间分泌激素。同时，数据显示，初始循环不仅教会了单个细胞新的电行为，似乎还帮助细胞开始彼此同步工作，就像一个协调一致的团队，Alvarez说。

利用人工智能实时监控"半机械人"胰腺组织

Alvarez预见了这项研究可能带来移植替代方案的两种途径。也许可以在实验室培养的胰岛细胞被"电击"以做好进入患者体内的准备，然后让其自行产生、储存和释放胰岛素。或者，也许可以将网格留在原位以监测和刺激胰岛细胞。这种方法可以确保细胞不会退化，从而不会停止对胰岛素的反应，这种情况可能因压力或疾病而发生。

最终，人工智能可以控制这样的系统，监测细胞并在需要时进行刺激。"未来，我们可以拥有一个无需人工干预就能运行的系统。"Alvarez说。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Qiang Li et al, Implanted flexible electronics reveal principles of human islet cell electrical maturation, Science (2026). DOI: 10.1126/science.aeb3295.