Cell子刊：控制胰岛素生产的敏感pH传感器

如果人体内的酸水平保持中性和稳定，许多人类代谢功能就能顺利运行。对人类来说，正常的血液pH值介于7.35和7.45之间。相比较而言，一个空的胃是酸性极强的，pH值为1.5。

我们的身体不断地监控着这一狭窄的pH范围，在任何偏差事件中迅速地恢复理想的pH值。这是因为，如果体液变得更加酸性，许多蛋白质就会停止正确运转。这些蛋白质变得不稳定，并改变它们的结构，或者与其他蛋白质相互作用，导致整个代谢途径分解。

1型糖尿病患者尤其处于高酸水平风险。他们的身体不能产生胰岛素——调节血糖水平的激素，所以他们的细胞不能吸收血液中的任何葡萄糖，并不得不利用另一种能量来源：储备脂肪。在这样做时，肝脏会产生β-羟丁酸——通过血液给肌肉和大脑供应能量的一种酸。然而，如果身体继续使用储备脂肪作为能量，这会产生非常多的酸，因此血液的pH值下降，而血液中循环的糖分子却没有使用。如果缺乏胰岛素没有引起注意或得不到及时治疗，1型糖尿病患者可能会死于酮酸中毒（ketoacidosis）——β-羟基丁酸酯过量引起的代谢休克。

传感器测量酸度

目前，来自苏黎世联邦理工学院生物系统科学和工程系（D-BSSE）的一个生物工程师小组，开发出一种新的可植入分子器件，由两个模块组成：一个传感器，不断测量血液的pH值；一个基因反馈机制，产生必要数量的胰岛素。他们根据生物成分（如多种基因和蛋白质）构建了这两个模块，并将它们导入培养的肾细胞中。然后，研究人员将数百万个这样的定制细胞嵌入到胶囊中，可以用作体内植入物。相关研究结果于2014年8月7日发表在生命科学领域国际顶尖杂志《Cell》子刊《Molecular Cell》（2014年影响因子14.464）。

植入式分子器件的主体是pH传感器，其可以测量血液的精确酸度，对理想pH值的细微偏差反应很灵敏。如果pH值低于7.35，传感器会发送一个信号，触发胰岛素的产生。这样一种低的pH值对1型糖尿病是特异性的：虽然由于酗酒或运动引起的肌肉过度酸化，血液pH也会下降，但它不会低于7.35。胰岛素能保证机体正常细胞再次吸收葡萄糖，并从脂肪转化到糖作为它们代谢的能量来源，因此pH值会再次上升。一旦血液pH值返回到理想的范围内，传感器就会自动关闭，重编程细胞就会停止产生胰岛素。

胰岛素水平恢复正常

研究人员已经在1型糖尿病及相关酸毒症小鼠中检测了他们的这一发明。结果看起来很有希望：服用胶囊的小鼠产生了适合于它们个体酸测量的胰岛素数量。血液中的激素水平类似于自然调节胰岛素水平的健康小鼠。植入物还可补偿血糖的较大偏差。

Martin Fussenegger指出：“根据这种原型，用于人类的应用程序是可以想象的，但是还有待于开发。我们想首先制备一个原型，看看分子假体是否可以用于这种代谢过程的精细调整。”然而，Fussenegger称，准备一个这样的市场产品，超出了该研究所的人力和财力范围，因此必须寻求一个工业合作伙伴。