Опубликованная в журнале Nature Medicine, команда ученых описывает успешное использование электромагнитных волн для включения выработки инсулина для снижения уровня сахара в крови у мышей с диабетом. Их система связывает естественную частицу, запасающую железо, ферритин, для активации ионного канала, называемого TRPV1, так что, когда металлическая частица подвергается воздействию радиоволны или магнитного поля, она открывает канал, что приводит к активации гена, продуцирующего инсулин.
Вместе эти два белка действуют как наномашина, которую можно использовать для запуска экспрессии генов в клетках.«Этот метод позволяет без проводов контролировать экспрессию генов у живого животного и потенциально может быть использован при таких состояниях, как гемофилия, для контроля выработки недостающего белка. Двумя ключевыми атрибутами являются то, что система генетически закодирована и может активировать клетки удаленно и быстро », — говорит Джеффри Фридман, профессор Мэрилин М. Симпсон, руководитель лаборатории молекулярной генетики в Рокфеллере. «Сейчас мы изучаем, можно ли использовать этот метод для управления нейронной активностью в качестве средства неинвазивной модуляции активности нейронных цепей». Фридман и его коллега по Ренсселеру Джонатан С. Дордик были старшими исследователями проекта.
Существуют и другие методы дистанционного контроля активности клеток или экспрессии генов у живых животных. Но у них есть ограничения. Системы, которые используют свет в качестве сигнала включения / выключения, требуют постоянных имплантатов или эффективны только вблизи кожи, а те, которые полагаются на лекарства, могут медленно включаться и выключаться.Новая система, получившая название «радиогенетика», использует сигнал, в данном случае низкочастотные радиоволны или магнитное поле, для нагрева или перемещения частиц ферритина.
Они, в свою очередь, вызывают открытие TRPV1, который расположен в мембране, окружающей клетку. Затем ионы кальция перемещаются по каналу, включая синтетический фрагмент ДНК, который ученые разработали, чтобы включить производство нижележащего гена, которым в этом исследовании был ген инсулина.В более раннем исследовании исследователи использовали только радиоволны в качестве сигнала включения, но в текущем исследовании они также проверили связанный сигнал — магнитное поле — для активации выработки инсулина. Они обнаружили, что он имеет такой же эффект, как и радиоволны.
«Использование магнитного поля, управляемого радиочастотой, является большим достижением в удаленной экспрессии генов, поскольку оно неинвазивно и легко адаптируется», — говорит Дордик, профессор химической и биологической инженерии Говарда П. Изерманна и вице-президент по исследованиям в компании. Ренсселер. «Вам не нужно ничего вставлять — ни проводов, ни световых систем — гены вводятся с помощью генной терапии. У вас может быть носимое устройство, которое создает магнитное поле для определенных частей тела, и его можно использовать в терапевтических целях. для многих болезней, включая нейродегенеративные заболевания. На данный момент это безгранично ».
Выбор в пользу производства инсулина был обусловлен оборудованием, которое они использовали для генерации радиоволн и магнитных полей. Поскольку катушка, которая генерирует эти сигналы, в настоящее время мала, т.е. диаметром всего три сантиметра, мышей необходимо было обезболить, чтобы они не двигались. Поскольку анестезия может подавлять выработку инсулина, гормона, который снижает уровень сахара в крови, Стэнли и ее коллеги разработали генетически закодированную систему для замены инсулина, который обычно снижается при анестезии у мышей.
«Ферритин, покрытая белком молекула-накопитель железа, обычно встречается в организме мыши и человека, но в наших экспериментах мы изменили его, разместив частицы ферритина в разных положениях, чтобы увидеть, можем ли мы улучшить наши результаты», — говорит соавтор. первый автор Сара Стэнли, старший научный сотрудник лаборатории Фридмана. «Мы обнаружили, что привязка ферритина к каналу является наиболее эффективной».Положительные результаты команды предполагают другие приложения для системы. В конце сентября Стэнли получил первый раунд гранта BRAIN от амбициозной федеральной инициативы, направленной на создание динамической карты мозга в действии. Стэнли и его коллеги планируют адаптировать эту систему для включения и выключения нейронов, чтобы изучить их роль в мозге.
«В этом текущем исследовании мы показали, что, открыв канал TRPV1, чтобы позволить ионам кальция проникать в клетку, мы можем включить ген. Поскольку нейроны могут быть деполяризованы кальцием и другими положительно заряженными ионами, такими как TRPV1 управления каналами, мы надеемся, что эта система может быть эффективной при регулировании нейронной активности ».