呼吸新鲜空气可以使产生药物的细胞存活更长时间

2021 年，西北大学领导的一个研究团队获得了美国国防高级研究计划局 （DARPA） 价值高达 3300 万美元的合同，用于开发一种植入式“活药房”来控制人体的睡眠/觉醒周期。现在，研究人员已经朝着实现这一目标迈出了重要一步。

在新的研究中，研究人员开发了一种新型装置，可以在该部位产生氧气，以保持细胞在独立的植入物内存活。氧气是保持细胞在植入式药房内长时间存活和茁壮成长的主要成分。因为细胞能够保持活力和健康的时间越长，它们能够自主为身体产生治疗药物的时间就越长。

通过使用电力分解细胞已经沐浴的水，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”）使细胞（70-80%）在体外低氧条件下存活近一个月，或在体内存活数周。如果没有ecO₂，只有大约20%的细胞在10天后存活，但研究人员假设这些细胞会在此之前很久就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，持续数月或更长时间的慢性手术是可以实现的。

该研究于今日（11月9日）发表在《自然通讯》杂志上。

“我们的设备可用于改善基于细胞的疗法的结果，该疗法使用生物细胞来治疗体内的疾病或损伤，”西北大学的Jonathan Rivnay说，他共同领导了这项研究。“基于细胞的疗法可用于替换受损组织、药物递送或增强身体自身的愈合机制，从而为伤口愈合和肥胖、糖尿病和癌症的治疗开辟了机会。在现场产生氧气对于许多这些“生物杂交”细胞疗法至关重要。我们需要许多细胞才能从这些细胞中产生足够的治疗药物，因此对代谢的需求很高。我们的方法是集成 ecO₂ 设备，从水本身产生氧气。

Rivnay是西北大学 麦考密克工程学院的 生物医学工程和材料科学与工程教授，也是DARPA资助的NTRAIN（昼夜节律内部网络的标准化时间）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

最终，植入式“活药房”战略的目标是开发永不耗尽药物的设备。这样，人们就再也不用担心要记得吃药或注射治疗剂了。但是，要使它成功发挥作用，植入物需要持续很长时间而无需重新填充。

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活力是开发这些可能挽救生命的设备的关键一步。尽管先前的研究已经探索了向细胞输送氧气的策略，但这些方法使用了笨重的设备，在人体内使用是不切实际的。

“一些方法从体外引入气态氧来解决这个问题。这类似于在潜水时使用水肺气瓶，“Surendran说。“它很笨重。你必须随身携带它。空气可能会耗尽，并且存在气体栓塞的高风险。

抛弃水肺气瓶

为了绕过对不切实际设备的需求，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，其他研究人员探索将水分解成氢气和氧气，以便使用氢气作为燃料。然而，这些技术侧重于碱性或酸性条件下的水分解。另一方面，Rivnay的团队对在与人体相当的条件下产生氧气更感兴趣。

该团队的新型 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，也已用于生物医学应用。在设备内部，细胞已经生活在水、盐和营养物质的液体中。氧化铱有助于在低电压下驱动电化学反应，以利用生物流体中已有的水输送氧气。电力将水分解成氢气和氧气。

“这就像我们小时候做过的化学101实验一样简单，”Rivnay说。“你通过水传递电流，金属处形成气泡，水分解成氧气和氢气。我们正在这样做，但以更聪明的方式。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。我们在产生的氧气溶解在水中的条件下操作设备，没有气泡。

在实验中，ecO₂ 产生足够的氧气来保持密集堆积的细胞（每立方毫米 60,000 个细胞）在缺氧条件下存活。这些结果表明，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，对照细胞迅速消亡。

“我们研究中使用的细胞密度大约是文献报道的胰岛平均细胞密度的六倍，”Surendran说。“血液中的正常氧气浓度不足以长时间维持其活力。第一周后，控制设备中70%的细胞失去了功能。剩下的 30% 需要大约 10 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，他们正在研究高度稳定的材料，这些材料可以在体内运行数月，最终使用这种方法来治疗慢性疾病。

“我们相信这项技术将实现更小、更有效的细胞疗法和受监管的细胞治疗设备，”Rivnay说。“我们的目标是将这项技术转化为临床。我们目前正在探索各种疾病模型。

该研究名为“用于移植细胞疗法的电催化现场氧合”，得到了DARPA的支持（协议编号FA8650-21-1-7119）。

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