Науковці створили спосіб бездротового керування генами за допомогою наночастинок

Науковці з ETH Zurich здійснили значний прорив у галузі біомедицини, розробивши інноваційний метод бездротового керування експресією генів у живих організмах. Новий підхід, названий електромагнітним програмуванням бездротової регуляції експресії генів (EMPOWER), базується на взаємодії між наночастинками та клітинами.

Мартін Фуссенеггер, провідний автор дослідження, опублікованого в журналі Nature Nanotechnology, пояснює: «Наше дослідження спрямоване на вирішення постійної проблеми в біомедицині щодо точного та неінвазивного контролю експресії терапевтичних генів у живих організмах. Традиційні методи часто вимагають інвазивних процедур або не забезпечують достатньої точності та надійності. Саме тому ми звернулися до магнітних полів для бездротового керування, враховуючи їхню здатність безпечно проникати крізь біологічні тканини без прямого контакту чи інвазивних пристроїв».

Розроблений метод використовує наночастинки з мультиферроїчних матеріалів, покриті біосумісним полімером хітозаном. Коли ці наночастинки стимулюються низькочастотним магнітним полем, вони генерують безпечні рівні активних форм кисню (АФК) у цитоплазмі клітини. Дослідники створили генетичний контур у клітинах ссавців, чутливий до сигналів АФК, використовуючи клітинний шлях KEAP1/NRF2. При виявленні АФК білки NRF2 активуються та сприяють виробленню обраних терапевтичних білків, таких як інсулін.

Особливою перевагою розробленого інтерфейсу наночастинка-клітина є можливість точного контролю часу та місця експресії генів. Метод є делікатним та неінвазивним, не потребує складних процедур або високоенергетичної стимуляції. Порівняно з іншими наночастинковими методами бездротового контролю експресії генів, цей підхід демонструє вищу біосумісність, вимагає менших доз наночастинок та мінімізує побічні ефекти.

Для демонстрації ефективності методу дослідники провели експерименти на мишачій моделі діабету. «У цьому експерименті ми піддавали мишей впливу слабкого електромагнітного поля (1 кГц, 21 мТл) лише протягом трьох хвилин щодня», — розповідає Фуссенеггер. «Це ефективно контролювало секрецію інсуліну та підтримувало нормальний рівень глюкози в крові протягом усього дослідження».

Наночастинки вводилися в цитоплазму — желеподібну речовину, що оточує ядро клітини. Це дозволило наночастинкам взаємодіяти з клітинами через хімічні активні форми кисню, які природно виробляються в клітинах. Важливо відзначити, що система працювала навіть при прямій взаємодії наночастинок з білками, не порушуючи цілісності модифікованих клітин.

Розроблений інтерфейс наночастинка-клітина має значний потенціал для медичного застосування. Метод використовує дуже слабке електромагнітне поле (нижче 1 кГц) та низьку потужність (21 мТл) при короткочасній стимуляції клітин. «Це значно слабше за рівні, що використовуються в клінічній МРТ-діагностиці», — зазначає Фуссенеггер. «Наш підхід може бути надзвичайно цінним для лікування хронічних захворювань, оскільки дозволяє дистанційно та динамічно коригувати терапію, усуваючи потребу в повторних ін'єкціях, інвазивних імплантатах або системному введенні ліків».

Дослідницька група планує продовжити вдосконалення своєї розробки. «У наступних дослідженнях ми зосередимося на підвищенні чутливості, біосумісності та ефективності нашої системи», — додає Фуссенеггер. «Також ми працюємо над вдосконаленням обладнання для електромагнітної стимуляції, прагнучи зробити його компактнішим для зручнішого використання в клінічних умовах».

Науковці планують розширити застосування своєї платформи для лікування інших хронічних захворювань, досліджувати альтернативні генетичні контури та підготувати технологію до доклінічних та клінічних випробувань. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature Nanotechnology.