由西北大学共同领导的多机构科学家团队在可植入"活体药房"领域取得了关键进展——这种微型装置含有工程化细胞，能在人体内持续生产药物。
在一项新研究中，研究团队对细胞进行工程化改造，使其同时生产三种不同的生物制剂——抗HIV抗体、用于治疗2型糖尿病的GLP-1样肽以及调节食欲和代谢的激素瘦素。当植入小型动物模型的皮下时，该装置使药物生产细胞保持存活，并稳定地同时输送全部三种疗法。
这种新系统被称为HOBIT（用于植入治疗的混合供氧生物电子系统的缩写），它将工程化细胞与产氧生物电子设备集成在一起。设计大小约如折叠起来的一块口香糖，该装置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营养物质，使其存活并持续生产生物药物数周之久。
随着进一步研究，"活体药房"有望通过单一、长效疗法治疗慢性疾病——患者无需携带、注射或记住服药时间。
该研究将于3月27日发表在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。
"这项工作突显了完全集成的生物杂交平台在疾病治疗方面的广阔潜力，"该项目的共同首席研究员、负责设备开发的西北大学Jonathan Rivnay表示。"传统生物制剂药物通常具有截然不同的半衰期，因此维持多种疗法的稳定水平可能具有挑战性。由于我们植入的'细胞工厂'持续生产这些生物制剂，利用我们的供氧技术保持细胞存活，使我们能够同时维持多种不同治疗药物的稳定水平。"
Rivnay是西北大学麦考密克工程学院的Jerome B. Cohen工程学教授、生物医学工程教授和材料科学与工程教授，同时也是合成生物学中心和Querrey Simpson再生工程研究所的成员。他与莱斯大学的Omid Veiseh和卡内基梅隆大学的Tzahi Cohen-Karni共同领导了这项研究。
供氧新突破
尽管可植入的"活体药房"可能改变多种疾病的治疗方法，但这些微小的细胞工厂一直面临一个顽固的生物障碍：氧气。当工程化细胞在植入物内紧密排列时，它们会争夺氧气以维持生存。如果没有足够的氧气供应，许多细胞会死亡——限制了植入物能生产的药物量。
通过HOBIT，西北大学、莱斯大学和卡内基梅隆大学的研究团队通过开发一种直接在细胞需要的地方产生氧气的系统来应对这一挑战。这项工作建立在2023年的一项研究基础上，在那项研究中，Rivnay和他的合作者展示了一种通过分解附近水分子来产生氧气的微型电化学装置。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，但新研究更进一步。最新版本将氧气生成技术集成到一个完全可植入、无线的系统中，旨在支持长期治疗。
HOBIT包含三个主要组件：容纳基因工程细胞的细胞室、微型氧气发生器，以及用于调节氧气生产和与外部设备无线通信的电子元件和电池。由于该装置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氧气供应。
"我们正在细胞需要的地方直接产生氧气。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供氧封装方法的六倍。"
Jonathan Rivnay，项目共同首席研究员
延长细胞存活期
为了展示该平台的能力，研究人员对细胞进行工程化改造，使其生产三种不同半衰期的生物制剂。研究团队将装置植入大鼠皮下，并监测了30天内动物血液中的药物水平。
在使用供氧植入物的动物中，血液测量显示在整个研究期间，所有三种生物制剂的水平都保持稳定。而在使用无供氧装置的动物中，半衰期较短的生物制剂在第七天就无法检测到。而半衰期较长的分子则随时间稳步下降。
在测试期结束时，供氧装置中约65%的细胞仍然存活，而对照组装置中只有约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，并探索特定疾病的临床应用，包括基于移植胰腺细胞的疗法。
"我们开始看到生物电子学和细胞治疗如何在单一平台上协同工作，"Rivnay表示。"随着这些技术的不断发展，这类装置最终可能成为体内的可编程药物工厂——以目前根本不可能的方式递送复杂的治疗方案。"
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