Группа ученых из Рокфеллеровского университета (The Rockefeller University) и Политехнического института Ренсселера (Rensselaer Polytechnic Institute) разрабатывает систему, которая позволит удаленно управлять биологическими мишенями в организме живых животных – быстро, без проводов, имплантатов и химических соединений.

Ученые экспериментировали с различными
конфигурациями своей системы дистанционного
контроля и установили, что лучшая из них основана
на наночастице оксида железа (синие), связанной
с ионным каналом (красные) определенным белком
(зеленые). На снимке все три показаны в клеточной
мембране. (The Rockefeller University)

В статье, опубликованной в журнале Nature Medicine, исследователи описывают успешное использование электромагнитных волн с целью включения синтеза инсулина у мышей с моделью диабета. Их система включает в себя природную содержащую оксид железа наночастицу – ферритин, – активирующую ионный канал TRPV1. Под воздействием радиоволн или магнитного поля эта металлическая частица открывает канал, что, в конечном итоге, активирует ген инсулина. Вместе эти два белка функционируют как наномашина, которая может быть использована в качестве триггера экспрессии генов.

«Этот метод позволяет управлять экспрессией генов в живом организме без использования проводов и потенциально может быть применен при таких заболеваниях, как гемофилия для контроля над синтезом отсутствующего белка. Две его ключевые качественные характеристики состоят в том, что система кодируется генетически и может активировать клетки удаленно и быстро», – комментирует свою разработку Джеффри Фридман (Jeffrey Friedman), заведующий лабораторией молекулярной генетики в Рокфеллеровском университете. «Сейчас мы изучаем, можно ли использовать этот метод для контроля над активностью нейронов в качестве средства для неинвазивного модулирования активности нервных цепей».

Для удаленного управления активностью клеток или экспрессией генов в организме живого животного разработаны и другие методы. Но их возможности ограничены. Системы, использующие в качестве on/off сигнала свет, требуют постоянных имплантатов или эффективны, только если находятся близко к коже, а основанные на химических соединениях работают медленно.

«Ферритин, покрытая белком железосодержащая
молекула, как правило, встречается по всему
организму и мыши и человека, но в наших
экспериментах мы модифицировали ее, помещая
частицы ферритина в разные положения, чтобы
посмотреть, можно ли улучшить наши
результаты», – говорит участник исследования
Сара Стэнли, старший научный сотрудник
лаборатории Фридмана. «Мы установили, что
связывание ферритина с каналом является
наиболее эффективным». (Рис. Nature Medicine)

В новой системе, получившей название «радиогенетика», используется сигнал, в данном случае радиоволны низкой частоты или магнитное поле, для нагревания или перемещения ферритиновых частиц. Они, в свою очередь, стимулируют открытие чувствительного к температуре канала TRPV1 в мембране клетки. Через этот канал в клетку поступают ионы кальция, активирующие синтетический фрагмент ДНК, разработанный учеными для включения экспрессии нижележащего гена, в данном случае гена инсулина.

В более раннем исследовании в качестве активирующего сигнала Джеффри Фридман и его коллеги использовали только радиоволны, но теперь для стимуляции выработки инсулина они протестировали и связанный с радиоволнами сигнал – магнитное поле – и установили, что оно оказывает аналогичное воздействие.

«Использование радиочастотного магнитного поля – большой шаг вперед в дистанционном управлении экспрессией генов, так как оно неинвазивно и адаптивно», – объясняет соруководитель исследования Джонатан Дордик (Jonathan Dordick), профессор химической и биологической инженерии из Политехнического института Ренсселера. «Вам не нужно ничего встраивать – никаких проводов, никаких световых систем,– а гены встраиваются методами генной терапии. Можно сделать портативное устройство, генерирующее магнитное поле, направляемое на определенные части тела, и использовать его для терапии многих болезней, в том числе нейродегенеративных заболеваний. На данный момент его возможности представляются неограниченными».

Полученные группой положительные результаты говорят о возможности использования новой системы и в других областях. Недавно старший научный сотрудник лаборатории Фридмана Сара Стэнли (Sarah Stanley), первый автор статьи, получила грант от масштабной федеральной инициативы, целью которой является создание динамической карты головного мозга. Она и ее коллеги планируют адаптировать эту систему для включения и выключения нейронов с целью изучения их роли в головном мозге.

«В этом исследовании мы показали, что открытием канала TRPV1, позволяющим ионам кальция поступать в клетку, можно включить тот или иной ген. Поскольку нейроны могут быть деполяризованы кальцием и другими положительно заряженными ионами, такими, как те, что контролируются каналом TRPV1, мы надеемся, что эта система сможет эффективно регулировать нейронную активность».

Оригинальная статья

Remote regulation of glucose homeostasis in mice using genetically encoded nanoparticles