成大 iGEM 团队 计画研发非侵入式糖尿病监测器

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About iGEM NCKU

从一秒数到七秒或许对你没有什么意义,但对于全世界的糖尿病患者来说,这七秒钟里代表着是一个因病而逝去的生命。而更令人担忧的是,糖尿病的患者人数还在逐年的增加中,让我们不得不去正视这个世纪疾病。通常,在糖尿病在尚未有症状前,人们不会特别去关注自己的健康,直到有糖尿病的症状时,通常已经很严重。针对这样的状况,来自成功大学的 NCKU_Tainan 团队在思考,有没有一个简单的方法能随时监测自己的健康,让我们知道身体仍然正常运作,并且预防糖尿病初期对身体造成的伤害?

而 NCKU_Tainan 团队的回答是:YES! You know.

NCKU_Tainan 团队充分运用“研究单位集中”与“综合型大学”的优势,由医学院、工学院、电机资讯学院、理学院、生科院与社会科学院的学生跨领域组成,将针对预防糖尿病的问题,带着他们的答案:“U-KNOW”装置,去参加 2016 年由美国麻省理工学院 (Massachusetts Institute of Technology, MIT) 主办的合成生物学竞赛 (The International Genetically Engineered Machine competition, iGEM),应用“合成生物学”的技术,让普罗大众借由在日常生活中随时监测“糖尿”的状况来了解自己的健康。

可是,即使糖尿病中有“糖尿”这两个字,我们的健康状况真的可以借由“糖尿”状况了解吗 ? 要了解这件事,就让我们先了解“糖尿”病的成因吧!糖尿病通常分为两型,第一型为胰岛素不足,让身体的细胞受器没有足够的胰岛素可以感应,使血液中的葡萄糖无法正常地被运送至细胞产生能量,最后导致细胞衰弱,或大量残留在血液中的葡萄糖对细胞产生伤害;第二型为胰岛素足够,但细胞无法正常感应胰岛素,一样导致细胞吃不到葡萄糖而衰弱,或血液中的高浓度葡萄糖伤害细胞。在一般状态下,人的尿液中几乎不会有葡萄糖的出现,肾脏在过滤血液产生尿液的过程中,会将所有的葡萄糖再吸收回血液;但是,在血液中含有大量葡萄糖的状态下,会导致肾脏的再吸收功能超过负荷,未吸收的葡萄糖会出现在尿液中,因此我们能以此判别血液中的葡萄糖浓度是否过高,用来做糖尿病的监测。

并且,相较于目前市面上的糖尿病管理方式,利用血糖机进行血液的检测,或是利用尿糖试纸观察尿糖的状况,都有其优缺点。血糖机的检测虽然较为精确与即时,但需要在皮肤进行侵入式的扎针取血,对于使用者来说,除了有感染风险外,在过程中也容易出现疼痛与不适感;而利用尿糖试纸检测尿糖虽然方便,但过程中使用者仍需自行将试纸上的颜色变化与比色板做对照,以此了解严重程度。更重要的是这些检测,通常是在糖尿病确诊后才会进行,此时已经对身体造成伤害。因此,NCKU_Tainan 团队考量到这些问题,从对使用者友善的角度出发,将以非侵入式与自动化的检测,推出的“U-KNOW”装置,其目的是希望在即使糖尿病初期无症状的时候,也能让使用者知道身体内高葡萄糖的警讯,让使用者可以在监测到有尿糖出现时,去医院做详细的诊断,及早预防糖尿病对身体造成的伤害。

细菌设计

那“U-KNOW”装置究竟是如何达到及早发现的目的 ? NCKU_Tainan 团队利用合成生物学的技术将 E. coli 进行改造,使其对于尿液中的葡萄糖进行感应与表达讯号。细菌原有的葡萄糖代谢途径,在葡萄糖运送至胞内时会激活“转录活化子”,引起“RNA 聚合酶”结合到 DNA 序列上特定的启动子 (Promoter),启动下游的基因表现;而改造后的 E. coli 会带有设计过的 DNA 质粒,将红色萤光蛋白的基因上游接上此特定的启动子,感应到葡萄糖的细菌就会表达萤光蛋白的 RNA,同时再借由 RNA 上的核糖体结合位转译出萤光蛋白,最后利用萤光蛋白的量转换成讯号强度,就能反应尿中的葡萄糖浓度,当讯号强度越强就表示尿中的葡萄糖浓度越高,借此提供精确的数据给使用者。(下图为细菌运作机制)

bacterialdesign

装置设计

目前市售的血糖测量纸大多用“颜色”判断糖尿病存在的可能,iGEM NCKU Tainan 将试纸的效能发挥得更加完善,借由细菌发萤光,再由传感器传感光强度的方式,将强度转为数位讯号,最后再将讯号回传至使用者的智慧装置,来完成整个操作流程。

iGEM NCKU 的目的在于帮助人们建立“简便”的自我检查习惯,使用者仅需将沾有尿的试纸装入装置后就可以看到结果,而非侵略性的方式精准的判读健康状况,同时,此装置在一天内可多次使用(仅试纸为消耗品)让受试者能定时追踪自我状况。(下图为 prototype 内部装置结构)

uknowprototype

理念推广

除了实际产品的推出外,iGEM NCKU Tainan 也在理念推广上下了不少功夫,借由“亚太交流会议”以及相关的宣导影片,iGEM NCKU Tainan 从台南在地出发,本次交流会,让21个队伍、150 位来自世界各地的参赛者直接审视彼此的计画。发现计画中的缺陷,会议过程中,参与者们不吝啬于给予对方建议,比起竞争对手更像是伙伴,共同成长,往波士顿的路上又迈进了一大步。

什么是 iGEM ?

International Genetically Engineered Machine Competition,简称 iGEM,是全球最高等级的合成生物学竞赛,每年由美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)主办。 合成生物学,为新兴学科,融合了生物、工程、物理、计算机科学和其他多项领域的综合性科学工程,大赛目的在于“促进跨学科领域研究与合作,利用工程手段创造标准化的生物元件(Bio-Brick),并利用它们构建具有各种实用价值的微生物遗传体,并解决社会问题。”曾多次被 Nature 等国际权威科学杂志报导,每年约有 200 多队,来自超过 30 个国家参赛。

延伸阅读:阳明 iGEM 团队 期望透过黑僵菌 biosafety switch 达到无毒农业

参考文献:
国际糖尿病联盟-全球糖尿病概览 (International Diabetes Federation, IDF DIABETES ATLAS)

图片来源:
由成大 iGEM NCKU Tainan 提供。