اعمال متابولیکی خیلی از مردم فقط زمانی بطور منظم انجام می گردد که مقداراسیدیته بدن خنثی و پایدار باقی بماند. اسیدیته ی نرمال برای بدن شخص بین 7.35تا 7.45است. برای مثال pHمعده ی خالی بسیار اسیدی است و برابر با 1.5می باشد.
گروهی از مهندسین زیستی ابزار مولکولی قابل کاشتی را طراحی کرده اند که از دو بخش ساخته شده است: یک حسگر که بطور دائم pHخون را اندازه گیری می کند و یک مکانیزم بازخورد ژنی که مقدار مورد نیاز انسولین را تولید می نماید.
ابزار مولکولی قابل کاشت که بر میزان اسیدیته ی خون نظارت کرده و در پاسخ به اسیدوز دیابتی، انسولین تولید می کند.
بدن بطور مداوم بر طیف باریک pHبدن نظارت کرده و درصورت هر گونه انحرافی از مقدار pHایده آل آنرا به حالت طبیعی برمی گرداند. این کار به دلیل سلامت عملکرد پروتئینها صورت می گیرد بسیاری از پروتئینها اگر مایعات بدن حتی به مقدار بسیار کمی اسیدی شوند عملکرد صحیح خود را از دست می دهند. درpHاسیدی پروتئینها ساختار طبیعی خود را از دست داده و یا اندرکنش آنها با سایر پروتئین ها تغییر می کند درنتیجه مسیرهای متابولیکی بطور کلی دچاراختلال می شوند.
افراد مبتلا به دیابت نوع 1 در معرض خطر افزایش اسیدیته ی خون هستند. بدن این بیماران هیچ انسولینی تولید نمی کند، وجود هورمون انسولین برای تنظیم قند خون ضروری است بنابراین بدون وجود هورمون انسولین سلولها قادر به جذب گلوکز از خون نبوده و مجبور به استفاده از منبع دیگر انرژی یعنی چربیهای ذخیره شده، می باشند. برای اینکار، کبد اسیدی بنام بتاهیدورکسی بوتیرات تولید می کند که انرژی ماهیچه ها و مغز را از طریق جریان خون تأمین می نماید. چنانچه بدن به استفاده از ذخایر چربی برای تولید انرژی ادامه دهد مقدار تولید این اسید آنچنان افزایش می یابد که سبب کاهش شدید pHخون می گردد، این در حالیست که مولکولهای قند در جریان خون استفاده نشده باقی می مانند.
اگر به فقدان انسولین دربدن توجه نشود یا بموقع درمان صورت نگیرد، بیماران مبتلا به دیابت نوع 1 به دلیل کتواسیدوز جان خود را از دست می دهند که به آن شوک متابولیکی گفته می شود و به دلیل افزایش مقدار بتا هیدروکسی بوتیرات اتفاق می افتد.
حسگر اندازه گیری کننده ی اسیدیته
یک گروه از مهندسین زیستی ابزار مولکولی قابل کاشتی را ابداع نموده اند که از دو ماژول ساخته شده است: یک حسگر که به طور مداوم pHخون را اندازه گیری میکند و مکانیزم بازخورد ژنی که مقدار انسولین مورد نیاز را تولید می نماید. آنها هر دو این بخش ها را از اجزاء بیولوژیکی مانند ژنها و پروتئین های مختلف ساختند و آنرا در سلولهای کلیوی در محیط کشت جاسازی کردند. محققین میلیونها عدد از این سلولهای حاوی حسگر را در یک کپسول جاسازی کرده و آنرا بصورت ایمپلنت دربدن تعبیه کردند.
قلب اصلی این ایمپلنت مولکولی، همان “سنسور Ph” است که بطور دقیق اسیدیته ی خون را اندازه گیری می کند و به هر گونه انحراف بسیار کوچکی از مقدار ایده آل pHواکنش نشان میدهد. اگر مقدار pHبه کمتر از 7.35برسد حسگر مذکور سیگنالی را مخابره می کند که تولید انسولین را تحریک می نماید. چنین افت pHیی در افراد مبتلا به دیابت نوع 1 مشاهده می شود، البته کاهش pHخون به دلیل سوء مصرف الکل و ورزش نیز ایجاد می شود( در هنگام ورزش به دلیل بیش از حد اسیدی شدن عضلات pHخون پایین می آید اما از 7.35بیشتر کاهش نمی یابد). وجود هورمون انسولین تضمین می کند که سلولهای طبیعی بدن مجدداً به مصرف گلوکز موجود در خون بپردازند و برای تأمین انرژی لازم برای اعمال متابولیکی به جای چربی از قند استفاده می کنند درنتیجه pHمجدداً افزایش یافته و به مقدار طبیعی خود باز می گردد. هنگامیکه pHخون به مقدار طبیعی بر می گردد، حسگر خاموش شده و سلولهایی که برای تولید انسولین برنامه ریزی شده بودند، تولید انسولین را متوقف می کنند.
بازگشت مقدار انسولین به حالت عادی
درحال حاضر محققان این اختراع را در موشهای مبتلا به دیابت نوع 1 و اسیدوز مرتبط با این بیماری آزمایش کرده و نتایج بسیار امیدوار کننده ای را بدست آورده اند. موشهایی که کپسولهای ایمپلنت دربدن آنها تعبیه شده است مقدار مورد نیاز انسولین را با توجه به اندازه ی اسیدیته ی موجود در خونشان تولید کردند. جالب این است که مقدار هورمون موجود در خون قابل مقایسه با مقدار هورمون موجود در خون موشهای سالم است که مقدار انسولین خونشان بطور طبیعی تنظیم می گردد. این ایمپلنت همچنین انسولین مورد نیاز را در انحراف های بزرگتر در مقدار قند خون تأمین میکند.
دکتر Martin Fusseneggerمی گوید: کاربرد این ابزار بر اساس نمونه ی اولیه ی آن در انسان قابل تصور است اما هنوز باید پیشرفت های دیگری در تولید آن صورت گیرد. او می افزاید: ما می خواهیم بدانیم این نمونه ی اولیه ی پروتز مولکولی می تواند برای چنین تنظیمات ظریفی درفرایندهای متابولیکی استفاده شود؟ او می افزاید: ساخت چنین محصولی برای ارائه ی آن در بصورت تجاری نیاز به نیرویی فراتر از محققان این موسسه ی تحقیقاتی و از نظر مالی فراتر از منابع مالی این موسسه دارد، در نتیجه ما به دنبال یافتن یک شریک صنعتی برای ادامه ی این کار هستیم.
تجربه ی گسترده دربیماریهای متابولیک
محققین گروه دکتر Fusseneggerتاکنون چندین شبکیه ی مصنوعی مشابه را تولید کرده اند. برای مثال آنها ایمپلنتی را ساخته اند که حاوی ژنهایی است که می تواند با نورآبی فعال شده و به تولید GLP-1که می تواند تولید انسولین را تنظیم کند، بپردازد.
آنها همچنین شبکه ای را طراحی کردند که می تواند سندرم متابولیک را از بین ببرد، فرآیندی که حرکت آن بر اساس تحویل داروی فشارخون طراحی شده است.
تمام این شبکه ها به یک پیام پاسخ داده و یک ماده ی فعال هورمونی تولید می کنند. در مورد این مکانیزم فیزیکی جدید، موضوع جالب توجه این است که خود بدن سیگنال را تولید می کند و سپس این سیگنال توسط حسگر تشخیص داده شده و یک واکنش درمانی بسیار دقیق را تحریک می کند.
در این پروژه سه گروه از محققان درموسسه ی D-BSSEدر بازل سوئیس شرکت داشتند: گروه دکتر Fusseneggerکه شبکه ی ژنتیکی را طراحی نمودند، پرفسور Hierlemann استاد مهندسی بیوسیستم ها و گروهش که سنسور حساس به اسید را با کمک پلت فرم میکروفلوئیدی آزمایش کردند و پرفسور Stellingکه استاد بیولوژی سیستم های محاسباتی است و دینامیک تولید انسولین را بصورت یک مدل برآورد نمود.
منبع-http://diabetestma.org
