近年来，可穿戴设备与生物医学的结合有望给精准医疗带来新的发展突破口。然而目前为止，市场上的可穿戴设备对于生命健康的作用基本上只停留在监测-记录的水平，比如检测心跳，监测血压等，可穿戴设备与基因治疗的交互界面模型依旧匮乏。
目前的可穿戴设备，或者大家平日使用的电子科技类产品，比如手机，手环，运动手表等，绝大多数都是基于低压直流放电控制的仪器。基于这个事实，研究人员希望可以开发一套通过低压直流电控制基因表达的真核细胞表达系统。在三年前，该课题组已经实现了交流电控制的基因表达控制管理系统—通过交流电放电过程实现对胰岛素释放过程的控制【1】。但是该设备的生物相容性比较低，需要将很大的电子元件植入体内，且控制管理系统需要专业且复杂的调控设备，因此用于可穿戴设备开发的实用性比较低。如果能够开发更为简单实用的电遗传学工具则具有更好的应用价值。
受到电解过程可激活电子移动并“激发”小分子物质这个点子的启发【2-4】，研究人员发现活性氧 (ROS, reactive oxygen species) 可以在电解细胞培养液的过程中产生。于是研究人员通过工程化哺乳动物细胞中的ROS响应机制，建立了一套基于直流电解产生ROS调控基因表达的系统 (DART, Direct current-actuated regulation technology)。在该工程化的信号通路中，KEAP1-NRF2是ROS的感受器，在没有ROS的时候，KEAP1和NRF2相互作用，作为E3 ligase的KEAP1会泛素化标记NRF2，从而导致NRF2的降解。但是当ROS存在的时候，ROS会打破KEAP1-NRF2的相互作用，而此时作为转录因子的NRF2会转位到细胞核，结合特定的响应ROS的DNA元件 (Antioxidant response element, ARE) ，启动下游的基因表达(图1)。
图1. a. 直流电压刺激体外细胞的模式图。两个距离一定的铂电极连接一个直流电源，电解过程产生的radicals会进入细胞产生ROS。b. 细胞响应ROS的机理。当细胞接收到ROS时，KEAP1-NRF2会释放NRF2，并转导到核，结合在DART启动子(个性化的ARE)启动下游感兴趣的基因 (gene of interest, GOI) 表达。
在该研究中，研究人员合成了个性化的ARE组件，用于响应直流电压的刺激，以调控特定的基因表达 (SEAP作为报告基因)。通过调控不同的刺激电压和时长，研究发现DC5V,20s的电压刺激，可以实现报告基因的高效表达。
由于可穿戴设备的供电系统基本上都是低压直流电 (15V)，因此该研究团队测试了不同来源的低电压电源对系统的调控作用。我们生活中最常见的低压直流电源就是碱性电池 (AA和AAA，俗称5号和7号电池) 和纽扣电池。一般一节碱性电池的电压是1.5V，而三节串联的碱性电池则能达到4.5V左右的电压。一个CR2032纽扣电池的电压是3.0V，两个串联就能获得6.0V左右的电压。通过测试，两种电池的组合都能短时间刺激即实现基因表达的调控。此外，该研究组还系统的测试了生活中其他比较常见的直流电源对于该系统的调控作用，包括手机充电器、充电宝、9V 方形电池等。在同样的表达量对比下，所需要的不同电压的电池或电池组刺激时间不同，总体来说，电压越高，所需时间越短。过高的电压及过长的刺激时间则会严重降低细胞活性 (由于过多的ROS对细胞有一定的毒性作用)，从而降低报告基因的表达。研究人员充分验证了该系统的电源便捷性和实用性。
作为概念验证性实验，该课题组通过表达胰岛素治疗糖尿病模型小鼠。首先他们将该系统做成了稳转细胞系，然后将稳转细胞系通过海藻酸钠包裹，皮下注射到小鼠体内，再通过电刺激表达胰岛素，以达到治疗的目的。有趣的是，在实际应用中，由于使用的电极插入到小鼠皮下的过程与中国传统医学针灸非常相似，于是该课题组使用镀铂的针灸针作为电极，使用三节5号电池作为电源，一个简单便携的细胞治疗装置就做成了。该装置省去了此前交流电诱导系统要复杂电子元件的麻烦【1】，为之后的可穿戴设备的开发提供了便利。该系统可以在糖尿病小鼠的治疗过程起到非常好的治疗效果，每天一次-约10秒钟左右的低电压“针灸”注射刺激，可以稳定控制小鼠的血糖值在野生型的正常范围内。研究人员还系统性的研究了血糖控制过程中，小鼠的其他与糖尿病相关的生理参数的变动情况，比如胰岛素、胰高血糖素、酮体、糖化血红蛋白等等。
图2. 小鼠实验模型。a. 将海藻酸钠包裹的稳转细胞系注射在小鼠体内，再插入镀铂的针灸电极，连接3节5号电池作为电源，启动开关激活胰岛素的表达。b. 个性化且简单的细胞治疗装置照片。c. 实验组、非实验组和野生型小鼠在实验后一个月内的血糖变化。
总的来说，该研究组开发了结合直流电、ROS、便携式电池和中国传统医学的针灸电极的新的电遗传学 (Electrogenetics) 工具，在细胞水平上，系统地研究了通过直流电产生的ROS对于细胞的影响以及基因调控的效率；在动物实验中，系统地研究了低压直流电控制胰岛素的表达以及对糖尿病小鼠的血糖控制和治疗效果，为将来用于基因治疗的可穿戴设备的开发提供了新的发展思路和方向。
据悉，该论文的主要作者为来自ETH zurich的合成生物学大师Martin Fussenegger课题组的博士生黄金波和博士后薛帅。
