Нитроглицериновый пластырь контролирует экспрессию терапевтического трансгена

Генная и клеточная терапия требуют точного, обратимого и удобного для пациента контроля над выработкой терапевтических белков. Авторы статьи в Nature Biomedical Engineering предложили систему регуляции экспрессии терапевтических генов, переключателем в которой служит оксид азота NO — его можно доставить в организм пациента с помощью разрешенных в клинике нитроглицериновых пластырей.

Нитроглицерин уже более 130 лет широко применяется в качестве сосудорасширяющего средства для лечения сердечных заболеваний, таких как стенокардия и хроническая сердечная недостаточность. Терапевтическое воздействие нитроглицерина проявляется после его превращения в оксид азота (NO), которое в основном опосредовано митохондриальной альдегиддегидрогеназой 2 (ALDH2). При этом сам нитроглицерин имеет короткое время полужизни в организме — около 5 минут — и высокую биодоступность при доставке с помощью пластыря. С применением этих свойств ученые создали систему in situ регуляции человеческих трансгенов, реагирующую на оксид азота — hNORM.

Для начала исследователи экспрессировали в клетках HEK293 гетеродимер растворимой гуанилатциклазы, которая в присутствии NO активируется и синтезирует циклический ГМФ (цГМФ). В качестве репортера использовали ген щелочной фосфатазы под контролем чувствительного к цГМФ промотора. В такой системе удавалось индуцировать выработку цГМФ с помощью риоцигуата — он активирует гуанилатциклазу иным путем, — но не с помощью доноров NO. Иными словами, прямой чувствительности к оксиду азота системе недоставало.

Проблему решила дополнительная экспрессия в модифицированных клетках протеинкиназы G (PKG1) — еще одного важного участника цГМФ-сигналинга. HEK293 и другие линии клеток млекопитающих, экспрессирующие гуанилатциклазу и PKG1, реагировали на обработку донорами NO продукцией цГМФ.

Получив стабильную линию HEK293, несущих гуанилатциклазу, PKG1 и нанолюциферазу (более чувствительный репортер) под контролем цГМФ-чувствительного промотора, авторы подтвердили на ней дозозависимую и обратимую экспрессию репортера в ответ на NO. Чтобы обеспечить надежное превращение нитроглицерина в NO, в таких клетках дополнительно экспрессировали ALDH2 — фермент, отвечающий за это превращение. Полученную систему обозначили как HEK_hNORM2.

Дальнейшие опыты проводили на мышах. Чтобы подтвердить применимость нитроглицериновых пластырей для NO-опосредованного контроля экспрессии целевого гена, авторы поместили HEK_hNORM2 в альгинатные капсулы (они обеспечивают контакт с сосудистой системой и иммунопротекцию), которые вживили под кожу мышам. Над местом имплантации наклеивали нитроглицериновый пластырь. Анализ подтвердил, что после этого в организме мыши индуцировалась экспрессия репортерной нанолюциферазы.

Принцип работы hNORM: мышам под кожу имплантировали клетки, экспрессирующие целевой ген в ответ на NO. Его выработка в присутствии нитроглицеринового пластыря над местом имплантации запускала экспрессию гена.
Credit:
Nature Biomedical Engineering (2025). DOI: 10.1038/s41551-025-01350-7 | CC BY

Наклеивание нитроглицериновых пластырей вдали от места имплантации не индуцировало экспрессию репортера. Эффект был обратимым — ученые попеременно наклеивали и удаляли пластыри каждые 24 часа, отслеживая уровень нанолюциферазы в крови. Он достигал максимума через сутки после наклеивания пластыря и снижался после его удаления в течении шести последовательных циклов.

В качестве клинического применения исследователи протестировали доставку глюкагоноподобного пептида-1 (GLP-1) в мышиной модели диабета 2 типа. Агонисты GLP-1, такие как семаглутид и лираглутид, активно исследуются как весьма перспективные средства для лечения диабета 2 типа и сопутствующего ожирения. Эксперимент проводили 35 суток — пластырь обновляли каждые два дня, а также регулярно измеряли уровни GLP-1 и глюкозы в крови. У мышей с диабетом пластырь индуцировал стабильное повышение GLP-1 в крови и восстанавливал нормальный уровень глюкозы. На контрольных мышей, которым подсаживали HEK293 дикого типа, уровни GLP-1 и глюкозы были одинаковыми как при наличии, так и при отсутствии пластырей — терапевтический эффект, таким образом, был обусловлен клеточным имплантом и воздействием на него.

Результаты показали, что hNORM нормализовал у мышей с диабетом системный уровень инсулина, вернул массу тела к норме, восстановил долгосрочный гомеостаз глюкозы в крови и устранил инсулинорезистентность.

Авторы статьи рассчитывают, что применение hNORM может стать надежным методом доставки лекарств для терапии хронических заболеваний, которые в настоящее время вынуждают пациента прибегать к регулярным инвазивным вмешательствам — инъекциям.

Экспрессию терапевтических трансгенов можно индуцировать при помощи запаха