Eye kNOw-國立成功大學2020年iGEM課題項目簡介

課題閱讀

XMU-China2023

課題：

Eye kNOw——2020年 NCKU_Tainan

主要內(nei) 容：

利用工程菌設計相應隱形眼鏡來治療青光眼

關(guan) 鍵詞：

青光眼、大腸杆菌WM3064、硬件

一、背景介紹

現代社會(hui) ，廣泛使用電子設備已成為(wei) 一種普遍現象。它不僅(jin) 會(hui) 給我們(men) 的眼睛帶來嚴(yan) 重的壓力，還會(hui) 增加患眼部疾病的風險。包括青光眼、近視、散光等。特別是，青光眼被列為(wei) 全球不可逆失明的主要原因。由於(yu) 沒有早期體(ti) 征或症狀，因此很難在早期階段發現疾病。這導致患者隻有在視力惡化到無法挽回的地步時才被診斷出來。不僅(jin) 如此，目前的治療方法由於(yu) 療效低下而沒有顯示出令人滿意的結果。

二、設計思路

該課題主要內(nei) 容是設計一個(ge) 含有工程菌的隱形眼鏡，使得在佩戴過程中能夠治療青光，因此，有兩(liang) 個(ge) 解決(jue) 要點，一個(ge) 是如何設計工程菌；另一個(ge) 是如何設計硬件。其中，治療方法主要是利用一氧化氮療法，因此想要是的工程菌具有產(chan) 生一氧化氮的能力。

三、實驗過程

首先，對於(yu) 硬件本身，也就是隱形眼鏡。根據研究，患者眼壓的增加會(hui) 導致角膜變形，進一步導致隱形眼鏡的結構變化。利用這種現象設計了一副隱形眼鏡，其結構會(hui) 隨著眼內(nei) 壓的波動而變化。隱形眼鏡配備一個(ge) 管狀半透室，裏麵裝有工程細菌、IPTG、NO前體(ti) - L-精氨酸和DAP。

圖1. 隱形眼鏡設計圖

腔室的體(ti) 積變化可以導致液體(ti) 流出，從(cong) 而增加腔室內(nei) 的IPTG濃度。IPTG的增加將誘導細菌產(chan) 生更多的一氧化氮合酶（NOS），然後可以將 L-精氨酸轉化為(wei) 一氧化氮以降低眼內(nei) 壓（IOP）。這種結構變化能夠誘導動態藥物遞送。

在該課題中，我認為(wei) 及其重要的，是其真正地做出了實體(ti) 的隱形眼鏡。首先課題組製作了相應的模具，模具是使用聚丙烯基（PP）進行3D打印的，因為(wei) 它具有疏水性，以獲得更好的脫模效果。

圖2. 隱形眼鏡模具

甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）是隱形眼鏡的主要材料，是用於(yu) 製造當今隱形眼鏡的流行成分。混合了HEMA、EDGMA（乙二醇二甲基丙烯酸酯）-交聯劑和AIBN（偶氮二異丁腈）-熱引發劑，然後將混合物注入模具中。填充的模具用二氧化碳衝(chong) 洗以去除多餘(yu) 的氧氣，並在 75°C 下加熱 2 小時以形成最終的水凝膠隱形眼鏡。

圖3. 最終製作的隱形眼鏡

接下來就是設計細菌，使其具有產(chan) 生一氧化氮合酶（NOS）的能力。NOS是一種可以將 L-精氨酸轉化為(wei) NO的酶。

同時為(wei) 了生物安全，該課題組使細菌過表達csgD和csgA，通過增加細菌和鏡片之間的結合親(qin) 和力將細菌固定在隱形眼鏡上。

圖4. 整個(ge) 基因設計概括

課題組在設計過程中，發現枯草芽孢杆菌攜帶一氧化氮合酶（NOS），並具有產(chan) 生NO的能力。因此，從(cong) 枯草芽孢杆菌的基因組中克隆了這個(ge) 基因，並設計了一種新的生物磚，然後將其整合到WM3064中，使其產(chan) 生NO。

為(wei) 了在患者眼壓波動時動態表達NOS，將NOS置於(yu) T7啟動子和lacO結合位點的控製之下，該位點可以通過另一種質粒PDT7（質粒驅動T7 RNA聚合酶）提供的IPTG誘導的T7 RNA聚合酶控製。環狀隔室內(nei) 的IPTG濃度會(hui) 根據患者的眼壓波動，導致NOS的動態表達。