國際生醫新聞

無論是單細胞生物或是複雜的高等生物，生命都是建立在封閉迴路的回饋和調節系統上，才能維持細胞的代謝與功能等條件的恆定，若是這個封閉迴路出現問題，往往就會導致疾病、甚至死亡。例如在正常細胞膜上會維持著特定的電壓 (即膜電位)，是由細胞內、外帶電離子濃度差異所引起，並受到細胞膜上離子通道嚴密調控，對於細胞生理與功能 (例如增殖、分化、遷移和凋亡，以及細胞與細胞之間的通訊與大規模形態發生等) 相當重要。

不過，正因為細胞會透過回饋機制維持細胞的恆定，因此想要透過生物電子學方法來控制細胞，其實並不容易。哈佛大學的 Wyss 生物啟發工程研究所最近提出了一套概念的驗證，讓科學家可以藉由機器學習驅動的生物電子設備來調整細胞的回饋機制，將人類幹細胞的膜電位維持在研究人員設定的電壓下長達 10 個小時；其最終目的是希望能以此開發出可將異常的回饋/調節機制校正至正常狀態的方法、用於治療疾病。

這個系統包括一系列生物電子質子幫浦 (bioelectronic proton pumps)，可於溶液中在培養中的人類幹細胞附近添加或去除氫離子。這些幹細胞經過基因修飾，可以在細胞膜上表現一種螢光蛋白質，此蛋白質可以對膜電位的變化做出反應，讓研究者得以偵測與觀察。該系統由機器學習演算法所控制，並透過此演算法追踪細胞膜電位如何對質子幫浦的刺激做出反應。簡而言之，透過這個封閉迴路系統，可以記錄下細胞的行為，科學家便可以確立透過質子幫浦進行何種干預、細胞將做出何種反應。

研究人員認為，在封閉迴路的生物混合系統中，將生物電子學與機器學習結合，將在再生醫學或合成生物學中具有許多潛在的應用價值，例如開發一種「智能繃帶」，可以為傷口提供生物電子智能控制、協助復原；或是透過此系統誘導幹細胞分化為特定細胞類型等。儘管這個領域目前還處於概念驗證階段，但其發展仍值得我們期待！

資料來源：Wyss Institute、Advanced intelligent systems (doi: 10.1002/aisy.202000140)