如果人體內(nèi)的酸水平保持中性和穩(wěn)定，許多人類代謝功能就能順利運(yùn)行。對(duì)人類來(lái)說(shuō)，正常的血液pH值介于7.35和7.45之間。相比較而言，一個(gè)空的胃是酸性極強(qiáng)的，pH值為1.5。

我們的身體不斷地監(jiān)控著這一狹窄的pH范圍，在任何偏差事件中迅速地恢復(fù)理想的pH值。這是因?yàn)?，如果體液變得更加酸性，許多蛋白質(zhì)就會(huì)停止正確運(yùn)轉(zhuǎn)。這些蛋白質(zhì)變得不穩(wěn)定，并改變它們的結(jié)構(gòu)，或者與其他蛋白質(zhì)相互作用，導(dǎo)致整個(gè)代謝途徑分解。

1型糖尿病患者尤其處于高酸水平風(fēng)險(xiǎn)。他們的身體不能產(chǎn)生胰島素——調(diào)節(jié)血糖水平的激素，所以他們的細(xì)胞不能吸收血液中的任何葡萄糖，并不得不利用另一種能量來(lái)源：儲(chǔ)備脂肪。在這樣做時(shí)，肝臟會(huì)產(chǎn)生β-羥丁酸——通過(guò)血液給肌肉和大腦供應(yīng)能量的一種酸。然而，如果身體繼續(xù)使用儲(chǔ)備脂肪作為能量，這會(huì)產(chǎn)生非常多的酸，因此血液的pH值下降，而血液中循環(huán)的糖分子卻沒(méi)有使用。如果缺乏胰島素沒(méi)有引起注意或得不到及時(shí)治療，1型糖尿病患者可能會(huì)死于酮酸中毒（ketoacidosis）——β-羥基丁酸酯過(guò)量引起的代謝休克。

傳感器測(cè)量酸度

目前，來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物系統(tǒng)科學(xué)和工程系（D-BSSE）的一個(gè)生物工程師小組，開(kāi)發(fā)出一種新的可植入分子器件，由兩個(gè)模塊組成：一個(gè)傳感器，不斷測(cè)量血液的pH值；一個(gè)基因反饋機(jī)制，產(chǎn)生必要數(shù)量的胰島素。他們根據(jù)生物成分（如多種基因和蛋白質(zhì)）構(gòu)建了這兩個(gè)模塊，并將它們導(dǎo)入培養(yǎng)的腎細(xì)胞中。然后，研究人員將數(shù)百萬(wàn)個(gè)這樣的定制細(xì)胞嵌入到膠囊中，可以用作體內(nèi)植入物。相關(guān)研究結(jié)果于2014年8月7日發(fā)表在生命科學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂尖雜志《Cell》子刊《Molecular Cell》（2014年影響因子14.464）。

植入式分子器件的主體是pH傳感器，其可以測(cè)量血液的精確酸度，對(duì)理想pH值的細(xì)微偏差反應(yīng)很靈敏。如果pH值低于7.35，傳感器會(huì)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，觸發(fā)胰島素的產(chǎn)生。這樣一種低的pH值對(duì)1型糖尿病是特異性的：雖然由于酗酒或運(yùn)動(dòng)引起的肌肉過(guò)度酸化，血液pH也會(huì)下降，但它不會(huì)低于7.35。胰島素能保證機(jī)體正常細(xì)胞再次吸收葡萄糖，并從脂肪轉(zhuǎn)化到糖作為它們代謝的能量來(lái)源，因此pH值會(huì)再次上升。一旦血液pH值返回到理想的范圍內(nèi)，傳感器就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，重編程細(xì)胞就會(huì)停止產(chǎn)生胰島素。

胰島素水平恢復(fù)正常

研究人員已經(jīng)在1型糖尿病及相關(guān)酸毒癥小鼠中檢測(cè)了他們的這一發(fā)明。結(jié)果看起來(lái)很有希望：服用膠囊的小鼠產(chǎn)生了適合于它們個(gè)體酸測(cè)量的胰島素?cái)?shù)量。血液中的激素水平類似于自然調(diào)節(jié)胰島素水平的健康小鼠。植入物還可補(bǔ)償血糖的較大偏差。

Martin Fussenegger指出：“根據(jù)這種原型，用于人類的應(yīng)用程序是可以想象的，但是還有待于開(kāi)發(fā)。我們想首先制備一個(gè)原型，看看分子假體是否可以用于這種代謝過(guò)程的精細(xì)調(diào)整。”然而，Fussenegger稱，準(zhǔn)備一個(gè)這樣的市場(chǎng)產(chǎn)品，超出了該研究所的人力和財(cái)力范圍，因此必須尋求一個(gè)工業(yè)合作伙伴。