一个由西北大学联合领导的多个机构科学家团队，在植入式“活体药房”方面取得了关键进展——这种微型设备包含经过工程改造的细胞，能在体内持续产生药物。
在一项新研究中，该团队对细胞进行了工程改造，使其同时产生三种不同的生物制剂——一种抗HIV抗体、一种用于治疗2型糖尿病的GLP-1样肽，以及一种调节食欲和新陈代谢的激素瘦素。当植入小型动物模型皮下时，该设备使药物生产细胞保持存活，并同时稳定递送所有三种疗法。
这种名为HOBIT（混合氧合生物电子系统用于植入治疗）的新系统，将工程细胞与产氧生物电子设备集成在一起。其大小约等于折叠的口香糖，设计既能保护细胞免受人体免疫系统的攻击，又能为细胞提供氧气和养分，使其存活数周并持续产生生物药物。
随着进一步研究，活体药房有望通过一次性长效疗法治疗慢性疾病，从而让患者无需携带、注射或记着服药。
该研究发表在Cell Press出版的《Device》期刊上。该项目由西北大学、莱斯大学和卡内基梅隆大学共同领导。
“这项工作展示了完全集成的生物混合平台治疗疾病的广泛潜力，”西北大学的乔纳森·里夫内说，他是该项目的共同首席研究员，负责设备开发。“传统的生物药物通常具有非常不同的半衰期，因此同时维持多种疗法的稳定水平可能具有挑战性。由于我们的植入式‘细胞工厂’持续产生这些生物制剂，通过我们的氧合技术让细胞存活，我们能够同时维持多种不同治疗药物的稳定水平。”
里夫内是杰罗姆·B·科恩工程学教授、生物医学工程教授、材料科学与工程教授，任职于西北大学麦考密克工程学院，也是合成生物学中心和奎雷·辛普森再生工程研究所的成员。他与莱斯大学的奥米德·维塞赫和卡内基梅隆大学的查希·科恩-卡尼共同领导了这项研究。
一股新鲜空气
虽然植入式活体药房可能改变众多疾病的治疗方式，但这些微小的细胞工厂一直面临一个顽固的生物屏障：氧气。当工程细胞紧密堆积在植入物内时，它们会争夺氧气以维持生存。如果没有足够的供应，许多细胞会死亡，从而限制了植入物能产生的药物量。
通过HOBIT，西北大学、莱斯大学和卡内基梅隆大学的团队通过开发一种直接在细胞需要氧气的地方产生氧气的系统，攻克了这一挑战。这项工作建立在2023年的一项研究基础上，当时里夫内及其合作者展示了一种微型电化学设备，通过分解附近的水分子来产生氧气。
虽然那项早期研究（发表在《自然·通讯》上）表明，局部供氧可以显著提高植入治疗细胞的存活率，但新研究又向前迈出了一大步。最新版本将该氧合技术集成到一个完全可植入的无线系统中，旨在支持长期治疗。
HOBIT包含三个主要组件：一个容纳基因工程细胞的细胞室、一个微型氧气发生器，以及用于调节氧气生产并与外部设备无线通信的电子器件和电池。由于该设备直接在植入物内部产生氧气，细胞即使在低氧环境中也能获得稳定的供应。
“我们直接在细胞需要氧气的地方生产氧气，”里夫内说。“这使我们能够在更小的空间内支持更高的细胞密度。HOBIT中的细胞密度大约是传统无氧封装方法的六倍。”
延长细胞存活时间
为了展示该平台的能力，研究人员对细胞进行了工程改造，使其产生三种不同的生物制剂，每种都有不同的半衰期。团队将设备植入大鼠皮下，并监测动物血液中的药物水平长达30天。
在植入有氧合设备的动物中，血液测量显示在整个研究期间所有三种生物制剂都保持稳定水平。而在植入无氧合设备的动物中，半衰期较短的生物制剂在第七天就已检测不到，而半衰期较长的分子则随时间稳步下降。
在测试期结束时，有氧合设备中约65%的细胞仍然存活，而对照组设备中仅约20%的细胞存活。
接下来，研究团队计划在更大的动物模型中测试该技术，并探索针对特定疾病的应用，包括基于移植胰腺细胞的疗法。
“我们开始看到生物电子学与细胞疗法如何在单个平台中协同工作，”里夫内说。“随着这些技术的持续发展，像这样的设备最终可能成为体内的可编程药物工厂——以今天无法实现的方式递送复杂疗法。”
备注
该研究得到了Breakthrough T1D和美国国防高级研究计划局的支持。
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