课题阅读
XMU-China2023
课题：
Eye kNOw——2020年 NCKU_Tainan
主要内容：
利用工程菌设计相应隐形眼镜来治疗青光眼
关键词：
青光眼、大肠杆菌WM3064、硬件
一、背景介绍
现代社会，广泛使用电子设备已成为一种普遍现象。它不仅会给我们的眼睛带来严重的压力，还会增加患眼部疾病的风险。包括青光眼、近视、散光等。特别是，青光眼被列为全球不可逆失明的主要原因。由于没有早期体征或症状，因此很难在早期阶段发现疾病。这导致患者只有在视力恶化到无法挽回的地步时才被诊断出来。不仅如此，目前的治疗方法由于疗效低下而没有显示出令人满意的结果。
二、设计思路
该课题主要内容是设计一个含有工程菌的隐形眼镜，使得在佩戴过程中能够治疗青光，因此，有两个解决要点，一个是如何设计工程菌；另一个是如何设计硬件。其中，治疗方法主要是利用一氧化氮疗法，因此想要是的工程菌具有产生一氧化氮的能力。
三、实验过程
首先，对于硬件本身，也就是隐形眼镜。根据研究，患者眼压的增加会导致角膜变形，进一步导致隐形眼镜的结构变化。利用这种现象设计了一副隐形眼镜，其结构会随着眼内压的波动而变化。隐形眼镜配备一个管状半透室，里面装有工程细菌、IPTG、NO前体 - L-精氨酸和DAP。
图1. 隐形眼镜设计图
腔室的体积变化可以导致液体流出，从而增加腔室内的IPTG浓度。IPTG的增加将诱导细菌产生更多的一氧化氮合酶（NOS），然后可以将 L-精氨酸转化为一氧化氮以降低眼内压（IOP）。这种结构变化能够诱导动态药物递送。
在该课题中，我认为及其重要的，是其真正地做出了实体的隐形眼镜。首先课题组制作了相应的模具，模具是使用聚丙烯基（PP）进行3D打印的，因为它具有疏水性，以获得更好的脱模效果。
图2. 隐形眼镜模具
甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）是隐形眼镜的主要材料，是用于制造当今隐形眼镜的流行成分。混合了HEMA、EDGMA（乙二醇二甲基丙烯酸酯）-交联剂和AIBN（偶氮二异丁腈）-热引发剂，然后将混合物注入模具中。填充的模具用二氧化碳冲洗以去除多余的氧气，并在 75°C 下加热 2 小时以形成最终的水凝胶隐形眼镜。
图3. 最终制作的隐形眼镜
接下来就是设计细菌，使其具有产生一氧化氮合酶（NOS）的能力。NOS是一种可以将 L-精氨酸转化为 NO的酶。
同时为了生物安全，该课题组使细菌过表达csgD和csgA，通过增加细菌和镜片之间的结合亲和力将细菌固定在隐形眼镜上。
图4. 整个基因设计概括
课题组在设计过程中，发现枯草芽孢杆菌携带一氧化氮合酶（NOS），并具有产生NO的能力。因此，从枯草芽孢杆菌的基因组中克隆了这个基因，并设计了一种新的生物砖，然后将其整合到WM3064中，使其产生NO。
为了在患者眼压波动时动态表达NOS，将NOS置于T7启动子和lacO结合位点的控制之下，该位点可以通过另一种质粒PDT7（质粒驱动T7 RNA聚合酶）提供的IPTG诱导的T7 RNA聚合酶控制。环状隔室内的IPTG浓度会根据患者的眼压波动，导致NOS的动态表达。
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