Typ-2-Diabetes: Verwendung von Kaffee zur Glukosekontrolle
Eines Tages könnten Menschen mit Typ-2-Diabetes dank synthetischer Biologie in der Lage sein, ihren Blutzucker durch Trinken von Tee oder Kaffee zu regulieren.
Wissenschaftler der ETH Zürich in der Schweiz haben einen synthetischen Genkreislauf entwickelt und getestet, der auf Getränkekonzentrationen von Koffein reagiert.
Dies wird durch die Freisetzung einer Glukose-Kontrollverbindung erreicht, die zur Behandlung von Typ-2-Diabetes verwendet wird.
Die Forscher setzten den Kreislauf in Zellen ein und implantierten sie in diabetische Mäuse.
Sie zeigten, dass der Kaffeekonsum den Blutzuckerspiegel entsprechend den verschiedenen Koffein-Dosen senkte.
Sobald das Koffein in den Blutkreislauf der Mäuse gelangt war, aktivierte es den synthetischen Genkreislauf, wodurch es die Verbindung freisetzte, um den Glukosespiegel zu senken.
Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse in einem kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studienbericht Naturkommunikation.
Die Diabetesbelastung wächst weltweit
Diabetes ist ein wachsendes Problem der öffentlichen Gesundheit, von dem weltweit Hunderte Millionen Menschen betroffen sind.
Die Epidemie ist hauptsächlich auf steigende Raten von Typ-2-Diabetes zurückzuführen, eine Erkrankung, die entsteht, wenn Zellen ihre Fähigkeit verlieren, Insulin zur Umwandlung von Glukose oder Blutzucker in Energie einzusetzen.
In den Vereinigten Staaten wurden ungefähr 23,1 Millionen Fälle von Diabetes diagnostiziert - die überwiegende Mehrheit davon Typ 2. Die geschätzten jährlichen Kosten dieser Belastung übersteigen 245 Milliarden US-Dollar.
Obwohl die Behandlungen in den letzten Jahren erheblich fortgeschritten sind und das Risiko von Komplikationen erheblich verringern können, ist Diabetes immer noch die siebthäufigste Todesursache in den USA.
Diese Belastung könnte verringert werden, wenn mehr Personen die von ihren Ärzten empfohlenen Behandlungsziele erreichen. Experten schlagen vor, dass wir bessere „Pflegemodelle“ brauchen, um das Problem anzugehen.
Gegenwärtig müssen Patienten den Blutzuckerspiegel nach jeder Mahlzeit überwachen und mit der verschriebenen Behandlung unverzüglich auf etwaige Erhöhungen reagieren.
Synthetische Biologie und Genkreisläufe
Die Forscher beschreiben die synthetische Biologie als eine „Fusion zwischen Technik und Biologie“, die es Wissenschaftlern in den letzten Jahren ermöglicht hat, Genschaltungen für biomedizinische Zwecke zu entwickeln.
Synthetische Genschaltungen programmieren Zellen neu, um ihre vorhandene Maschinerie auf eine bestimmte Weise zu nutzen.
Ein Beispiel hierfür ist die Entwicklung von „molekularen Schaltern“, mit denen Immunzellen streng kontrolliert werden können, um die Krebsbehandlung sicherer und präziser zu gestalten.
Wissenschaftler stehen beim Entwurf synthetischer Genschaltungen vor einer Reihe von Herausforderungen. Dazu gehört die Auswahl des richtigen Auslösers, damit die Schaltung nicht versehentlich aktiviert wird, und die Sicherstellung, dass die Reaktion auf das erforderliche beschränkt ist und keine Nebenwirkungen hervorruft.
Koffein-ausgelöste Peptidproduktion
In der Arbeit beschreiben die Wissenschaftler, wie sie „vollsynthetische Rezeptoren, die Koffein wahrnehmen“, in Mengen herstellen, die denen einer typischen Tasse Kaffee entsprechen.
Rezeptoren sind Proteine, die auf der Oberfläche von Zellen sitzen und nur dann reagieren, wenn sie auf ein bestimmtes Molekül treffen, wie einen einzigartigen Schlüssel, der in ein Schloss eingeführt wird. Dieser Bindungsakt löst eine spezifische Reaktion innerhalb der Zelle aus.
Hier ist der Auslöser Koffein und die Reaktion ist die Produktion von „synthetischem menschlichem Glucagon-ähnlichem Peptid 1“, einer Verbindung, die bei der Behandlung von Typ-2-Diabetes verwendet wird, um den Blutzuckerspiegel zu senken.
Die Autoren der Studie bezeichnen den genetischen Kreislauf als "koffeinstimulierten fortgeschrittenen Regulator (C-STAR)". Sie testeten den C-STAR, indem sie ihn in „Designerzellen“ einfügten.
Die Forscher testeten die Reaktion der C-STAR-Zellen auf verschiedene Koffeinquellen und -dosen im Labor, einschließlich kommerzieller Getränkemarken. Sie implantierten die Zellen auch in Mäuse, die gezüchtet wurden, um Typ-2-Diabetes zu entwickeln.
"Verbesserte Glukosekontrolle"
Sowohl in den Zelltests als auch bei den Mäusen, denen C-STAR-Zellen implantiert wurden, löste das Vorhandensein von Koffein eine reversible und dosisabhängige Änderung der Genexpression aus.
Zuerst testete das Team nur die Wirkung des Auslösers, indem es ihn mit einem „Reportergen“ verknüpfte, das für ein Protein kodierte, das sie testen konnten.
Anschließend ersetzte das Forscherteam das Reportergen durch ein Gen, das für „ein klinisch lizenziertes gentechnisch hergestelltes Protein“ zur Behandlung von Typ-2-Diabetes kodiert, bei dem es sich um das synthetische humane Glucagon-ähnliche Peptid 1 handelt.
Einmal ausgelöst, verursachte der Schaltkreis, dass die Zellen Glucagon-ähnliches Peptid 1 produzierten. Behandelte Mäuse zeigten im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen eine "wesentlich verbesserte" Glucosekontrolle.
„Therapie integriert in Lebensstil“
Das Team schlägt vor, dass einer der Vorteile der Verwendung von Koffein als Auslöser darin besteht, dass es „ungiftig, kostengünstig und nur in bestimmten Getränken vorhanden“ ist.
Die neue Studie zeigt, dass es möglich ist, auf synthetischen Genkreisläufen basierende Behandlungen zu „verfeinern“, um auf alltägliche Getränke „wie Tee und Kaffee ohne Zusatz zusätzlicher Chemikalien“ zu reagieren, so die Autoren.
Darüber hinaus schlagen die Forscher vor, „durch die Integration der Therapie in den Lebensstil“, dass der Ansatz eine Möglichkeit sein könnte, Patienten dazu zu bringen, die Behandlungsschemata leichter einzuhalten, da sie zu dem Schluss kommen:
"Therapien, die auf solchen Systemen basieren, sollten sich nahtlos in den Lebensstil der Menschen integrieren und könnten daher eine wichtige Säule sein, auf der die neue Generation personalisierter Medizin aufbauen kann."
