Экспрессию генов можно контролировать при помощи батарейки

Умная электроника играет все большую роль в повседневной жизни и мониторинге здоровья. Однако до сих пор не было представлено метода, который смог бы эффективно связать электронные и биологические системы. В новой работе ученые из Швейцарии представили метод, позволяющий контролировать экспрессию генов при помощи простой батарейки.

Ученые задействовали белок KEAP1, который в обычных условиях связывает и удерживает другой белок — NRF2, а также обладает противораковыми функциями. В ответ на присутствие активных форм кислорода (ROS) KEAP1 высвобождает NRF2, который, в свою очередь, активирует экспрессию генов ответа на окислительный стресс, связываясь со специальными энхансерами — элементами антиоксидантного ответа (ARE). Искусственно получить ROS довольно просто — необходима лишь пара электронов, на которые подается постоянный (DC) ток малого вольтажа. Остается лишь модифицировать гены мишени так, чтобы они включали ARE, и будут готовы все составляющие для системы регуляции экспрессии при помощи тока. Такой подход получил название DART — движимая DC технология регуляции (DC-actuated regulation technology).

Для первичной проверки концепта исследователи использовали клеточные культуры HEK293, экспрессирующие KEAP1 и NRF2. Клетки также несли конструкт-репортер pJH1005, кодирующий белок SEAP, экспрессия которого контролируется синтетическим промотором, включающим ARE. Клетки помещали в модифицированные контейнеры, включающие два электрода. Подача на электроды DC тока при 10 B в течение 15 с или при 5 В в течение 20 с значительно повышала экспрессию SEAP. Авторы подтвердили, что SEAP экспрессируется именно благодаря ROS, полученных под действием тока. При этом подача переменного тока была значительно менее эффективна и оказывала больше негативного влияния на клетки.

Воздействие DC тока при мощности не более 5 В и продолжительности воздействия не больше 20 с не несло негативного влияния на клетки. Если оно длилось дольше 25 с, то оказывало умеренный эффект на транскриптом, в основном связанный с антиоксидантным ответом. Воздействие более 30 с наносило значительный урон клеткам. Предположительно, это происходит из-за образования пузырьков в среде и изменения pH. По этой причине все дальнейшие эксперименты использовали время воздействия не больше 25 секунд. Исследователи также показали эффективность DART на шести других клеточных линиях.

В связи с малым требуемым вольтажом, DART не требует специального оборудования для получения желаемого эффекта. Авторы добились эффективной работы системы с использованием AA, AAA и CR2032 батареек, зарядки от телефона и внешнего аккумулятора.

Для демонстрации клинического потенциала DART-системы исследователи обратились к диабету 1 типа — заболеванию, требующему постоянного мониторинга и гибкого менеджмента. Были получены клетки линии hMSC-TERT, модифицированные для NRF2-зависимой экспрессии инсулина. Для большей гибкости авторы включили в синтетический промотор тандем из четырех ARE. Далее полученные клетки подкожно имплантировали мышам с диабетом 1 типа. Для стимуляции импланта использовали три батарейки AA, подведенные к двум покрытым платиной иглам для акупунктуры через простой ВКЛ/ВЫКЛ переключатель.

Воздействие на клетки током 4,5 В в течение 10 с/день восстановило нормальный уровень сахара в крови мышей уже через два дня. Нормальный уровень сохранялся в течение всех четырех недель эксперимента. Авторы также смоделировали ситуацию, когда пациенту с диабетом необходимы множественные инъекции инсулина в день. Для этого был сформирован специальный режим питания мышей, и частота воздействия током была повышена до четырех раз в день. В данном эксперимента DART также успешно восстановил нормальный уровень сахара, инсулина и связанных биомаркеров.

Авторы считают, что DART и подобные ему системы могут стать основой целого класса новых терапий и подходов к клиническому мониторингу.

Апноэ во время сна влияет на экспрессию генов в течение дня