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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.
Wann, 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.
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.
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