Ученые разработали управляемые смартфоном клетки, которые доставляют в кровь инсулин

Смартфоны уже могут контролировать дома и автомобили, а также диагностировать заболевания. Группа китайских и швейцарских исследователей предложила переложить на смартфон управление искусственными клетками, имплантированными в организм для выработки инсулина. Люди с диабетом вынуждены ежедневно (некоторые — еженедельно) вводить себе инсулин. Новое устройство, проверенное на мышах, может однажды устранить болезненную потребность в использовании игл.

Клеточная терапия — это новый радикальный перспективный вариант лечения. Идея состоит в том, чтобы создать генной инженерией такие клетки, которые способны выделять нужные лечебные вещества, и имплантировать их в организм… Например, лейкоциты заставляли бороться с раком, ВИЧ и другими заболеваниями. Сотни клеточных терапий проходят клинические испытания, хотя ни пока ни одна из них не управляется извне организма.

Исследователи продемонстрировали умную замкнутую систему, в которой цифровой глюкометр передает данные об уровне глюкозы в крови мышей на смартфон. Смартфон обрабатывает данные и отправляет сигнал в имплантированные клетки для доставки инсулина. Менее чем через два часа после активации клеток уровень сахара в крови животных стабилизировался.

Создать такой инструмент было бы невозможно без оптогенетики — направления исследований, которое использует светочувствительные белки для регулирования биологической активности в организме. Этот метод был предложен для лечения ряда заболеваний, включая болезнь Паркинсона и шизофрению. Проходящее сейчас первое клиническое испытание на человеке достижений в области оптогенетики призвано восстановить зрение пациента с пигментным ретинитом — дегенеративным состоянием глаза, которое приводит к слепоте.

В рамках эксперимента с мышами-диабетиками на первом этапе исследователи изменили клетки человека с помощью светочувствительного гена, который был обнаружен в растениях и заставляет клетки производить инсулин по сигналу. Затем ученые вводили светочувствительные бактериальные белки в клетки млекопитающих. Под воздействием дальнего красного света длиной волны около 730 нм белок активировал последовательность генов, которые заставляли клетки вырабатывать инсулин.

После успешного эксперимента исследователи создали устройство размером с рублёвую монету, в котором приемные катушки окружают гидрогель со встроенными ячейками с красными светодиодами. Эти устройства были имплантированы под кожу мышей с диабетом. Когда внешняя катушка по беспроводной связи включает светодиоды посредством электромагнитной индукции, их свет активирует клетки, вырабатывающих инсулин.

Команда ученых сделала три вещи, чтобы дистанционно управлять ячейками: настраиваемый глюкометр с поддержкой Bluetooth, приложение для смартфонов на базе Android и интеллектуальный блок управления, который регулирует передающую мощность катушки.

Когда исследователи помещают образцы крови мышей на глюкометр, он отправляет измерения на смартфон через Bluetooth. Приложение сравнивает эти уровни с заданным порогом, затем передает сигнал в блок управления, чтобы включить катушку передатчика мощности, которая заставляет диоды светиться достаточно долго для того, чтобы имплантат доставлял нужное количество инсулина.

Приложение позволяет пользователю определить, насколько ярко должны светиться светодиоды, и как долго они будут контролировать количество инсулина в клетках. Передатчик Bluetooth, подключенный к глюкометру, может отправить уведомление на смартфон, когда уровень сахара слишком высок и автоматически включить выработку инсулина.

Уровень глюкозы в крови животных обычно снижался до нормального уровня в течение двух часов после процедуры. Система поддерживала концентрацию глюкозы в крови у мышей в течение 15 дней без каких-либо побочных эффектов. Однако исследователи уверены, что необходимо дополнительно исследовать то, как гораздо более длительная эксплуатация и частота замены имплантата влияют на организм и работу устройства.

Система в целом также требует значительной доработки. Приложение для смартфона на самом деле «общается» с сервером, который представляет собой нечто вроде умного домашнего центра, который включает индукционную катушку, окружающую мышей электромагнитным полем. Электромагнетизм активирует светодиоды в имплантате, поэтому он работает только тогда, когда мыши находятся рядом с передатчиком, что может стать проблемой для любого диабетика, желающего хотя бы иногда выходить из дома.

Кроме того, текущая конструкция все еще требует использования иглы для проверки уровня сахара в крови. Будущие версии HydrogeLED, как предполагают исследователи, призваны решить обе проблемы. Один из авторов исследования Хайфэн Е предполагает наличие встроенного глюкометра, который 24 часа в сутки контролирует уровень сахара в крови пациента, автоматически запуская светодиоды с батарейным питанием, когда необходим инсулин.

Ученым предстоит пройти долгий путь исследований, прежде чем HedrogeLED можно будет испытать на человеке. Сначала нужно проверить на большем количестве животных — текущая версия технологии прошла проверку только на группах из пяти-шести мышей, а также на более крупных животных, таких как собаки или обезьяны, в течение двух-трех недель. Исследователи также должны убедиться, что все используемые материалы безопасны и не стимулируют иммунные реакции.

doi: 10.1126/scitranslmed.aal2298