Rockefeller University: "Radiogenetik" soll Zellen und Gene aus der Ferne kontrollieren

Rockefeller University: "Radiogenetik" soll Zellen und Gene aus der Ferne kontrollieren

November 19, 2022

Friedman und Stanley mit der Ausrüstung, die sie zum Senden von Radiowellen verwenden. Foto von Zachary Veilleux

Das ist die einfachste Methode, um herauszufinden, was etwas tut, egal ob es sich um einen nicht gekennzeichneten Stromkreisunterbrecher oder ein nicht identifiziertes Gen handelt - man legt den Schalter um und sieht, was passiert. Eine neue Technologie zur Fernsteuerung könnte Biologen eine leistungsfähige Möglichkeit bieten, dies mit Zellen und Genen zu tun. 

Ein Team der Rockefeller University und des Rensselaer Polytechnic Institute entwickelt ein System, mit dem biologische Ziele in lebenden Tieren ferngesteuert werden können - schnell, ohne Drähte, Implantate oder Medikamente.

In der Fachzeitschrift Nature Medicine beschreibt das Team, wie es erfolgreich elektromagnetische Wellen einsetzt, um die Insulinproduktion anzuregen und so den Blutzucker bei diabetischen Mäusen zu senken. 

Ihr System koppelt ein natürliches Eisenspeicherpartikel, Ferritin, an einen Ionenkanal namens TRPV1, so dass das Metallpartikel, wenn es einer Radiowelle oder einem Magnetfeld ausgesetzt wird, den Kanal öffnet, was zur Aktivierung eines Insulin produzierenden Gens führt. Zusammen wirken die beiden Proteine wie eine Nanomaschine, mit der die Genexpression in Zellen ausgelöst werden kann.

"Die Methode ermöglicht es, die Expression von Genen in einem lebenden Tier drahtlos zu steuern und könnte möglicherweise bei Krankheiten wie Hämophilie eingesetzt werden, um die Produktion eines fehlenden Proteins zu steuern. Zwei wichtige Eigenschaften sind, dass das System genetisch kodiert ist und Zellen ferngesteuert und schnell aktivieren kann", sagt Jeffrey Friedman, Marilyn M. Simpson Professor und Leiter des Labors für Molekulargenetik am Rockefeller. 

"Wir untersuchen nun, ob die Methode auch zur Steuerung der neuronalen Aktivität eingesetzt werden kann, um die Aktivität neuronaler Schaltkreise nichtinvasiv zu modulieren." Friedman und sein Rensselaer-Kollege Jonathan S. Dordick waren als leitende Forscher an dem Projekt beteiligt.

Es gibt noch andere Techniken, um die Aktivität von Zellen oder die Expression von Genen in lebenden Tieren aus der Ferne zu steuern. Diese haben jedoch ihre Grenzen. Systeme, die Licht als Ein- und Ausschaltsignal verwenden, erfordern permanente Implantate oder sind nur in der Nähe der Haut wirksam, und solche, die auf Medikamente angewiesen sind, lassen sich nur langsam ein- und ausschalten.

Fernsteuerung für den Gentransfer

Das neue System, die so genannte Radiogenetik, nutzt ein Signal, in diesem Fall niederfrequente Radiowellen oder ein Magnetfeld, um Ferritinpartikel zu erhitzen oder zu bewegen. Diese wiederum veranlassen die Öffnung von TRPV1, das sich in der die Zelle umgebenden Membran befindet. 

Kalziumionen wandern dann durch den Kanal und schalten ein synthetisches Stück DNA an, das die Wissenschaftler entwickelt haben, um die Produktion eines nachgeschalteten Gens, in dieser Studie das Insulin-Gen, einzuschalten.

In einer früheren Studie verwendeten die Forscher nur Radiowellen als Einschaltsignal, aber in der aktuellen Studie testeten sie auch ein verwandtes Signal - ein Magnetfeld - um die Insulinproduktion zu aktivieren. Sie fanden heraus, dass es eine ähnliche Wirkung wie die Radiowellen hatte.

"Die Verwendung eines hochfrequenten Magnetfelds ist ein großer Fortschritt bei der Genexpression aus der Ferne, weil es nicht invasiv und leicht anpassbar ist", sagt Dordick, Howard P. Isermann Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen und Vizepräsident für Forschung in Rensselaer. "

Man muss nichts einführen - keine Drähte, keine Lichtsysteme - die Gene werden durch Gentherapie eingeführt. Man könnte ein tragbares Gerät haben, das bestimmte Teile des Körpers mit einem Magnetfeld versorgt, und es könnte therapeutisch für viele Krankheiten, einschließlich neurodegenerativer Krankheiten, eingesetzt werden. An diesem Punkt gibt es keine Grenzen.

Die Entscheidung, die Insulinproduktion zu untersuchen, hing mit den Geräten zusammen, die zur Erzeugung der Radiowellen und Magnetfelder verwendet wurden. Da die Spule, die diese Signale erzeugt, derzeit nur einen Durchmesser von drei Zentimetern hat, mussten die Mäuse betäubt werden, um sie ruhig zu halten. 

Da die Betäubung die Produktion von Insulin, dem Hormon zur Senkung des Blutzuckerspiegels, unterdrücken kann, entwickelten Stanley und ihre Kollegen das genetisch kodierte System, um das Insulin zu ersetzen, das normalerweise durch die Betäubung der Mäuse reduziert wird.

"Ferritin, ein mit Proteinen ummanteltes Eisenspeichermolekül, kommt normalerweise überall im Körper von Mäusen und Menschen vor, aber in unseren Experimenten haben wir es modifiziert, indem wir die Ferritinpartikel an verschiedenen Stellen platziert haben, um zu sehen, ob wir unsere Ergebnisse verbessern können", sagt die Ko-Erstautorin Sarah Stanley, eine leitende wissenschaftliche Mitarbeiterin in Friedmans Labor. "Wir stellten fest, dass die Anbindung des Ferritins an den Kanal am effektivsten war.

Die positiven Ergebnisse des Teams legen weitere Anwendungen für das System nahe. Ende September erhielt Stanley einen BRAIN-Zuschuss der ersten Runde der ehrgeizigen Bundesinitiative, die eine dynamische Karte des Gehirns in Aktion erstellen will. Stanley und seine Kollegen planen, dieses System so anzupassen, dass Neuronen ein- und ausgeschaltet werden können, um so ihre Rolle im Gehirn zu untersuchen.

"In dieser aktuellen Studie haben wir gezeigt, dass wir ein Gen einschalten können, indem wir den TRPV1-Kanal öffnen, damit Kalziumionen in die Zelle gelangen können. Da Neuronen durch Kalzium und andere positiv geladene Ionen, wie sie der TRPV1-Kanal kontrolliert, depolarisiert werden können, hoffen wir, dass dieses System die neuronale Aktivität wirksam regulieren kann."

Quelle der Geschichte:

Von der Rockefeller University zur Verfügung gestelltes Material. Hinweis: Der Inhalt kann aufgrund von Stil und Länge überarbeitet werden.

Journal Referenzen:

• Sarah A Stanley, Jeremy Sauer, Ravi S Kane, Jonathan S Dordick, Jeffrey M Friedman. Remote regulation of glucose homeostasis in mice using genetically encoded nanoparticles. Nature Medicine, 2014; DOI: 10.1038/nm.3730
• S. A. Stanley, J. E. Gagner, S. Damanpour, M. Yoshida, J. S. Dordick, J. M. Friedman. Radio-Wave Heating of Iron Oxide Nanoparticles Can Regulate Plasma Glucose in Mice. Science, 2012; 336 (6081): 604 DOI: 10.1126/science.1216753

🇬🇧 Rockefeller University: "Radiogenetics" is said to remotely control cells and genes

November 19, 2022

Friedman and Stanley with the equipment they use to transmit radio waves. Photo by Zachary Veilleux

That's the easiest way to find out what something does, whether it's an unmarked circuit breaker or an unidentified gene - you flip the switch and see what happens. New remote control technology could offer biologists a powerful way to do this with cells and genes.

A team from Rockefeller University and Rensselaer Polytechnic Institute is developing a system that can remotely control biological targets in living animals - quickly, without wires, implants or drugs.

In the journal Nature Medicine, the team describes how they successfully used electromagnetic waves to stimulate insulin production and thereby lower blood sugar in diabetic mice.

Their system couples a natural iron storage particle, ferritin, to an ion channel called TRPV1 so that when exposed to a radio wave or magnetic field, the metal particle opens the channel, resulting in the activation of an insulin-producing gene. Together, the two proteins act like a nanomachine that can trigger gene expression in cells.

"The method makes it possible to wirelessly control the expression of genes in a living animal and could potentially be used in diseases such as hemophilia to control the production of a missing protein. Two important properties are that the system is genetically encoded and cells are controlled remotely and activate it quickly," says Jeffrey Friedman, Marilyn M. Simpson Professor and director of the Molecular Genetics Laboratory at Rockefeller.

"We are now investigating whether the method can also be used to control neuronal activity in order to non-invasively modulate the activity of neuronal circuits." Friedman and his Rensselaer colleague Jonathan S. Dordick were lead researchers on the project.

There are other techniques to remotely control the activity of cells or the expression of genes in living animals. However, these have their limits. Systems that use light to signal on and off require permanent implants or are only effective near the skin, and those that rely on drugs are slow to turn on and off.

Remote control for gene transfer

The new system, called radiogenetics, uses a signal, in this case low-frequency radio waves or a magnetic field, to heat or move ferritin particles. These in turn cause the opening of TRPV1, which is located in the membrane surrounding the cell.

Calcium ions then travel through the channel, turning on a synthetic piece of DNA that the scientists engineered to turn on the production of a downstream gene, in this study the insulin gene.

In a previous study, the researchers used only radio waves as the turn-on signal, but in the current study they also tested a related signal - a magnetic field - to activate insulin production. They found that it had an effect similar to that of radio waves.

"Using a radiofrequency magnetic field is a major advance in remote gene expression because it's noninvasive and easily customizable," says Dordick, Howard P. Isermann Professor of Chemical and Bioengineering and vice president for research at Rensselaer. "

You don't have to insert anything - no wires, no light systems - the genes are inserted through gene therapy. You could have a wearable device that applied a magnetic field to specific parts of the body and it could be used therapeutically for many diseases, including neurodegenerative diseases. At this point there are no limits.

The decision to study insulin production was related to the devices used to generate the radio waves and magnetic fields. Since the coil that generates these signals is currently only three centimeters in diameter, the mice had to be anesthetized to keep them still.

Because the anesthetic can suppress the production of insulin, the hormone that lowers blood sugar levels, Stanley and her colleagues engineered the genetically encoded system to replace the insulin that is normally reduced when the mice are anesthetized.

"Ferritin, a protein-coated iron storage molecule, is normally found throughout the body of mice and humans, but in our experiments we modified it by placing the ferritin particles in different locations to see if we could improve our results." , says co-first author Sarah Stanle y, a senior research associate in Friedman's laboratory. "We found that binding the ferritin to the channel was most effective.

The team's positive results suggest further applications for the system. In late September, Stanley received a BRAIN grant from the first round of the ambitious federal initiative to create a dynamic map of the brain in action. Stanley and his colleagues plan to adapt this system to turn neurons on and off to study their role in the brain.

"In this current study, we showed that we can turn on a gene by opening the TRPV1 channel to allow calcium ions to enter the cell. Because neurons are stimulated by calcium and other positively charged ions, such as those controlled by the TRPV1 channel, can be depolarized, we hope that this system can effectively regulate neuronal activity."

Source of the story:

Material provided by Rockefeller University. Note: Content may be revised due to style and length.

Journal references:

* Sarah A Stanley, Jeremy Sauer, Ravi S Kane, Jonathan S Dordick, Jeffrey M Friedman. Remote regulation of glucose homeostasis in mice using genetically encoded nanoparticles. Nature Medicine, 2014; DOI: 10.1038/nm.3730

* S.A. Stanley, J.E. Gagner, S. Damanpour, M. Yoshida, J.S. Dordick, J.M. Friedman. Radio-Wave Heating of Iron Oxide Nanoparticles Can Regulate Plasma Glucose in Mice. Science, 2012; 336 (6081): 604 DOI: 10.1126/science.1216753

🇹🇷Rockefeller Üniversitesi: "Radyogenetik"in hücreleri ve genleri uzaktan kontrol ettiği söyleniyor

19 Kasım 2022

Friedman ve Stanley, radyo dalgalarını iletmek için kullandıkları ekipmanla. Fotoğraf: Zachary Veilleux

Bu, ister işaretlenmemiş bir devre kesici, ister tanımlanamayan bir gen olsun, bir şeyin ne işe yaradığını öğrenmenin en kolay yolu; düğmeyi çeviriyorsunuz ve ne olduğunu görüyorsunuz. Yeni uzaktan kumanda teknolojisi, biyologlara bunu hücreler ve genlerle yapmak için güçlü bir yol sunabilir.

Rockefeller Üniversitesi ve Rensselaer Polytechnic Institute'tan bir ekip, canlı hayvanlardaki biyolojik hedefleri hızlı bir şekilde, kablolar, implantlar veya ilaçlar olmadan uzaktan kontrol edebilen bir sistem geliştiriyor.

Nature Medicine dergisinde ekip, diyabetik farelerde insülin üretimini uyarmak ve böylece kan şekerini düşürmek için elektromanyetik dalgaları nasıl başarıyla kullandıklarını anlatıyor.

Sistemleri, doğal bir demir depolama parçacığı olan ferritini TRPV1 adı verilen bir iyon kanalına bağlar, böylece bir radyo dalgasına veya manyetik alana maruz kaldığında, metal parçacık kanalı açarak insülin üreten bir genin aktivasyonuna neden olur. Birlikte, iki protein hücrelerde gen ifadesini tetikleyebilen bir nanomakine gibi davranır.

"Yöntem, canlı bir hayvanda genlerin ifadesini kablosuz olarak kontrol etmeyi mümkün kılıyor ve potansiyel olarak hemofili gibi hastalıklarda eksik bir proteinin üretimini kontrol etmek için kullanılabilir. İki önemli özellik, sistemin genetik olarak kodlanmış olması ve hücrelerin kontrol edilmesidir. Marilyn M. Simpson Profesörü ve Rockefeller'daki Moleküler Genetik Laboratuvarı direktörü Jeffrey Friedman, "uzaktan uzaktan ve hızlı bir şekilde etkinleştirin" diyor.

"Şimdi yöntemin nöronal devrelerin aktivitesini invazif olmayan bir şekilde modüle etmek için nöronal aktiviteyi kontrol etmek için kullanılıp kullanılamayacağını araştırıyoruz." Friedman ve Rensselaer'li meslektaşı Jonathan S. Dordick, projenin baş araştırmacılarıydı.

Canlı hayvanlarda hücrelerin aktivitesini veya genlerin ifadesini uzaktan kontrol etmek için başka teknikler de var. Ancak bunların da sınırları vardır. Açmak ve kapatmak için ışık kullanan sistemler, kalıcı implantlar gerektirir veya yalnızca cilt yakınında etkilidir ve ilaçlara dayanan sistemlerin açılıp kapanması yavaştır.

Gen transferi için uzaktan kumanda

Radyogenetik adı verilen yeni sistem, ferritin parçacıklarını ısıtmak veya hareket ettirmek için bir sinyal, bu durumda düşük frekanslı radyo dalgaları veya bir manyetik alan kullanır. Bunlar da hücreyi çevreleyen zarda bulunan TRPV1'in açılmasına neden olur.

Kalsiyum iyonları daha sonra kanaldan geçerek, bilim adamlarının bu çalışmada insülin geni olan aşağı akış geninin üretimini etkinleştirmek için tasarladıkları sentetik bir DNA parçasını etkinleştirir.

Daha önceki bir çalışmada, araştırmacılar açma sinyali olarak yalnızca radyo dalgalarını kullandılar, ancak mevcut çalışmada ayrıca insülin üretimini etkinleştirmek için ilgili bir sinyali - bir manyetik alanı - test ettiler. Radyo dalgalarınınkine benzer bir etkiye sahip olduğunu buldular.

Howard P. Isermann Kimya ve Biyomühendislik Profesörü ve Rensselaer'de araştırmadan sorumlu başkan yardımcısı Dordick, "Radyo frekansı manyetik alanı kullanmak, uzak gen ifadesinde büyük bir ilerlemedir çünkü invaziv değildir ve kolayca özelleştirilebilir" diyor. "

Hiçbir şey sokmanıza gerek yok - kablo yok, ışık sistemi yok - genler, gen terapisi yoluyla eklenir. Vücudun belirli bölgelerine manyetik alan uygulayan giyilebilir bir cihaza sahip olabilirsiniz ve nörodejeneratif hastalıklar da dahil olmak üzere birçok hastalık için terapötik olarak kullanılabilir. Bu noktada sınır yoktur.

İnsülin üretimini inceleme kararı, radyo dalgaları ve manyetik alanlar oluşturmak için kullanılan cihazlarla ilgiliydi. Bu sinyalleri üreten bobinin şu anda sadece üç santimetre çapında olması nedeniyle, farelerin hareketsiz kalması için anestezi yapılması gerekiyordu.

Anestezik, kan şekeri düzeylerini düşüren hormon olan insülin üretimini baskılayabildiğinden, Stanley ve meslektaşları, farelere anestezi uygulandığında normalde azalan insülinin yerini alacak genetik olarak kodlanmış bir sistem tasarladılar.

"Protein kaplı bir demir depolama molekülü olan ferritin, normalde farelerin ve insanların vücudunda bulunur, ancak deneylerimizde, sonuçlarımızı iyileştirip iyileştiremeyeceğimizi görmek için ferritin parçacıklarını farklı konumlara yerleştirerek onu değiştirdik." -ilk yazar Sarah Stanle Y, Friedman'ın laboratuvarında kıdemli bir araştırma görevlisi. "Ferritini kanala bağlamanın en etkili olduğunu bulduk.

Ekibin olumlu sonuçları, sistem için daha fazla uygulama önermektedir. Eylül sonunda Stanley, hareket halindeki beynin dinamik bir haritasını oluşturmaya yönelik iddialı federal girişimin ilk turundan bir BEYİN hibesi aldı. Stanley ve meslektaşları, beyindeki rollerini incelemek için bu sistemi nöronları açıp kapatacak şekilde uyarlamayı planlıyorlar.

"Bu güncel çalışmada, kalsiyum iyonlarının hücreye girmesine izin vermek için TRPV1 kanalını açarak bir geni etkinleştirebileceğimizi gösterdik. Çünkü nöronlar, kalsiyum ve TRPV1 kanalı tarafından kontrol edilenler gibi diğer pozitif yüklü iyonlar tarafından uyarılır. depolarize edilebilir, bu sistemin nöronal aktiviteyi etkili bir şekilde düzenleyebileceğini umuyoruz."

Hikayenin kaynağı:

Rockefeller Üniversitesi tarafından sağlanan materyal. Not: İçerik, stil ve uzunluk nedeniyle revize edilebilir.

Dergi referansları:

* Sarah A Stanley, Jeremy Sauer, Ravi S Kane, Jonathan S Dordick, Jeffrey M Friedman. Genetik olarak kodlanmış nanoparçacıklar kullanılarak farelerde glikoz homeostazının uzaktan düzenlenmesi. Doğa Tıbbı, 2014; DOI: 10.1038/nm.3730

* S.A. Stanley, J.E. Gagner, S. Damanpour, M. Yoshida, J.S. Dordick, J.M. Friedman. Demir Oksit Nanopartiküllerinin Radyo Dalgasıyla Isıtılması Farelerde Plazma Glikozunu Düzenleyebilir. Bilim, 2012; 336 (6081): 604 DOI: 10.1126/science.1216753