Радиогенетика – новый способ управления активностью генов и клеток

NanoNewsNet по материалам The Rockefeller University: ‘Radiogenetics’ seeks to remotely control cells and genes

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.

В статье, опубликованной в журнале Nature Medicine (Stanley et al., Remote regulation of glucose homeostasis in mice using genetically encoded nanoparticles), 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.

Ученые экспериментировали с различными конфигурациями своей системы дистанционного контроля и установили, что
лучшая из них основана на наночастицах оксида железа (синие), связанных определенным белком (зеленые)
с ионными каналами в клеточной мембране (красные). Фото: The Rockefeller University.

«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.

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.

«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 (Sarah Stanley), старший научный сотрудник лаборатории Фридмана. «Мы установили, что связывание ферритина с каналом является наиболее эффективным» (рис. Nature Medicine).

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 Сара Стэнли 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».

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
22.12.2014