Ученые создали инсулин-продуцирующие клетки активируемые светом

Исследователи из Университета Тафтса (Tufts University) пересадили искусственные бета-клетки поджелудочной железы мышам с диабетом, а затем заставили клетки вырабатывать инсулин более чем в два-три раза выше обычного уровня, подвергая их воздействию света.

Переключаемые светом клетки предназначены для компенсации снижения выработки инсулина или снижения инсулиновой реакции у людей с диабетом. Исследование, опубликованное в ACS Synthetic Biology, показывает, что уровни глюкозы можно контролировать на мышиной модели диабета без фармакологического вмешательства.

Инсулин — это гормон, который играет центральную роль в точном контроле уровня глюкозы — основного топлива, используемого клетками. На 1 января 2016 в мире около 415 миллионов людей в возрасте от 20 до 79 лет страдают диабетом.

При диабете II типа — наиболее распространенной форме заболевания — клетки организма становятся неэффективными в ответ на инсулин, и, как следствие, уровень глюкозы в крови может стать опасно высоким (гипергликемия), в то время как поджелудочная железа не может вырабатывать достаточно инсулина для компенсации. При диабете I типа бета-клетки, которые являются единственными клетками в организме, вырабатывающими инсулин, разрушаются иммунной системой, что приводит к полному недостатку гормона.

Современные способы лечения включают введение лекарств, которые увеличивают выработку инсулина бета-клетками поджелудочной железы, или прямую инъекцию инсулина для дополнения естественного производства.

В обоих случаях регулирование уровня глюкозы в крови становится ручным процессом, при котором введение лекарств или инсулина проводится после периодических измерений уровня глюкозы, что часто приводит к всплескам и спадам, которые могут иметь вредные долгосрочные последствия.

Исследователи стремились разработать новый способ усиления выработки инсулина, сохраняя при этом важную связь в режиме реального времени между высвобождением инсулина и концентрацией глюкозы в крови. Они достигли этого, используя преимущества «оптогенетики», подхода, основанного на белках, которые изменяют свою активность по требованию со светом.

Бета-клетки поджелудочной железы были сконструированы с геном, который кодирует фотоактивируемый фермент аденилатциклазу (АЦ). АЦ вырабатывает молекулу циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) при воздействии синего света, который, в свою очередь, запускает стимулируемую глюкозой выработку инсулина в бета-клетке.

Производство инсулина может увеличиться в два-три раза, но только при высоком уровне глюкозы в крови. При низких уровнях глюкозы выработка инсулина остается низкой. Это позволяет избежать общего недостатка лечения диабета, которое может компенсировать воздействие инсулина и оставить у пациента вредный или опасно низкий уровень сахара в крови (гипогликемия).

Исследователи обнаружили, что пересадка сконструированных бета-клеток поджелудочной железы под кожу мышей с диабетом приводила к улучшению толерантности и регуляции уровня глюкозы, снижению гипергликемии и повышению уровня инсулина в плазме при воздействии освещения синим светом.

«Это обратная аналогия, но мы на самом деле используем свет для включения и выключения биологического переключателя», — сказал Эммануэль Цанакакис, профессор химической и биологической инженерии в Школе инженерии в Университете Тафтса и автор исследования.

«Таким образом, мы можем помочь лучше контролировать и поддерживать надлежащие уровни глюкозы без фармакологического вмешательства. Клетки выполняют работу по производству инсулина естественным образом, и регуляторные контуры в них работают одинаково; мы просто увеличиваем количество цАМФ в бета-клетках, чтобы заставить их вырабатывать больше инсулина только тогда, когда это необходимо».

Синий свет просто переворачивает переключатель из нормального режима в режим усиления. Такие оптогенетические подходы, использующие активируемые светом белки для модуляции функции клеток, исследуются во многих биологических системах и стимулируют усилия по разработке нового метода лечения.

Fan Zhang et al, Amelioration of Diabetes in a Murine Model upon Transplantation of Pancreatic β-Cells with Optogenetic Control of Cyclic Adenosine Monophosphate, ACS Synthetic Biology (2019). DOI: 10.1021/acssynbio.9b00262