呼吸新鲜空气可以让制造毒品的细胞活得更久

　　2021年，美国西北大学(Northwestern university)领导的一个研究团队开始致力于开发一种可植入的“活药房”，以控制人体的睡眠/觉醒周期。现在，研究人员已经朝着实现……

　　

有氧合装置支持的细胞(左)和没有氧合装置支持的细胞(右)的并排比较。活细胞用绿色表示;死亡细胞是红色的。来源:Jonathan Rivnay/西北大学

2021年，美国西北大学(Northwestern university)领导的一个研究团队开始致力于开发一种可植入的“活药房”，以控制人体的睡眠/觉醒周期。现在，研究人员已经完成了实现这一目标的重要一步。

在新的工作中，研究人员已经开发出一种新的装置，可以在这个部位产生氧气，以保持细胞在自给自足的植入物内存活。氧气是维持细胞在植入式药物内长时间存活和繁殖的主要成分。因为细胞存活和健康的时间越长，它们就能越长时间地自主为身体产生治疗药物。

通过用电来分解已经浸泡在细胞中的水，研究人员能够产生氧气，同时避免产生有害的副产品，如氯或过氧化氢。通过控制用电量，研究人员可以改变它产生的氧气量。

在新的实验中，这种新型装置(称为“电催化现场氧合器”或“ecO2”)在体外低氧条件下使细胞(70-80%)存活近一个月或在体内存活数周。如果没有ecO2, 10天后只有大约20%的细胞存活，但研究人员假设，这些细胞在此之前很久就会失去分泌药物的能力。随着无线电源和通信技术的进步，研究人员相信，数月或更长时间的慢性手术是可以实现的。

这项名为“移植细胞疗法的电催化现场氧化”的研究发表在《自然通讯》上。

西北大学的乔纳森·里夫内(Jonathan Rivnay)是这项研究的共同负责人，他说:“我们的设备可以用来改善细胞疗法的效果，这种疗法使用生物细胞来治疗体内的疾病或损伤。”

“基于细胞的疗法可用于替换受损组织，用于药物输送或增强人体自身的愈合机制，从而为伤口愈合和治疗肥胖、糖尿病和癌症等提供机会。”在许多“生物杂交”细胞疗法中，现场产生氧气至关重要。我们需要很多细胞才能从这些细胞中产生足够的治疗药物，因此有很高的代谢需求。我们的方法是整合ecO2设备，从水中产生氧气。”

里弗内是西北大学麦考密克工程学院生物医学工程和材料科学与工程教授，也是NTRAIN(跨生物钟内部网络的节奏时间正常化)项目的首席研究员。他与卡内基梅隆大学(CMU)生物医学工程和材料科学与工程教授Tzahi Cohen-Karni共同领导了这项新研究。该研究的共同第一作者是西北大学的Abhijith Surendran和CMU的Inkyu Lee。

更持久的植入物

植入式“活药房”策略的最终目标是开发出永远不会耗尽药物的设备。然后，人们将永远不必担心记住吃药或注射治疗药物。但是，为了成功地工作，植入物需要持续很长一段时间而不需要重新填充。

西北大学将合成生物学与生物电子学相结合，与莱斯大学生物医学工程教授Omid Veiseh合作，在设备内现场生产治疗药物。保持这些工程细胞的存活是开发这些潜在的救生设备的关键一步。虽然以前的研究已经探索了将氧气输送到细胞的策略，但那些方法使用了笨重的设备，在人体内使用是不切实际的。

“有些方法从体外引入气态氧气来解决这个问题。这类似于潜水时使用水肺，”苏伦德兰说。“它很笨重。你必须随身携带。空气可能会耗尽，而且有很高的气体栓塞风险。”

丢掉氧气罐

为了不需要不切实际的设备，研究人员转向了水分解，这是一种流行的能量转换和储存策略。例如，其他研究人员已经探索将水分解成氢和氧，以便使用氢作为燃料。然而，这些技术主要集中在碱性或酸性条件下的水分解。另一方面，Rivnay的团队更感兴趣的是在类似于人体内的条件下产生氧气。

该团队新ecO2设备背后的秘密是溅射氧化铱，这是一种成功的电催化剂，也被用于生物医学应用。在设备内部，细胞已经生活在由水、盐和营养物质组成的液体中。氧化铱有助于在低电压下驱动电化学反应，利用生物流体中已有的水来输送氧气。电把水分解成氢和氧。

“这就像我们小时候做过的化学101实验一样简单，”里弗内说。“你把电通过水，在金属上形成气泡，水分裂成氧气和氢气。我们正在用一种更聪明的方式做这件事。使用独特的材料可以更高效、更低能耗地生产氧气。在我们的设备中，我们没有形成氧气气泡。我们的设备是在氧气溶解在水中的条件下运行的，没有气泡。”

在实验中，ecO2产生了足够的氧气，使密集的细胞(每立方毫米60000个细胞)在缺氧条件下存活。这些结果证明，ecO2器件可以很容易地集成到生物电子平台中，从而在具有广泛适用性的小型器件中实现高细胞负载。

没有ecO2，对照细胞就会迅速死亡。

Surendran说:“我们研究中使用的细胞密度大约是文献中报道的胰岛平均细胞密度的六倍。”“血液中正常的氧浓度不足以维持它们长时间的生存能力。第一周后，控制装置中70%的细胞失去了功能。剩下的30%大约需要10多天才能失去功能。”

接下来，Rivnay和合作者将专注于ecO2的长期部署。具体来说，他们正在研究一种高度稳定的材料，这种材料可以在体内运行数月，最终将这种方法用于治疗慢性疾病。

Rivnay说:“我们相信这项技术将使更小、更有效的细胞治疗和调节细胞治疗设备成为可能。”“我们的目标是将这项技术应用于临床。我们目前正在探索各种疾病模型。”

西北大学提供