Электрогенетический интерфейс для программирования экспрессии генов млекопитающих с помощью постоянного тока

Jul 14, 2023

Метаболизм природы, том 5, страницы 1395–1407 (2023 г.) Процитировать эту статью

38 тысяч доступов

1 Цитаты

541 Альтметрика

Подробности о метриках

Носимые электронные устройства играют быстро растущую роль в сборе данных о здоровье людей для персонализированных медицинских вмешательств; однако носимые устройства пока не могут напрямую программировать генную терапию из-за отсутствия прямого электрогенетического интерфейса. Здесь мы обеспечиваем недостающее звено, разрабатывая электрогенетический интерфейс, который мы называем технологией регулирования постоянного тока (DC) (DART), который обеспечивает электродопосредованную, зависящую от времени и напряжения экспрессию трансгенов в клетках человека с использованием постоянного тока от батарей. DART использует источник постоянного тока для генерации нетоксичных уровней активных форм кислорода, которые действуют через биосенсор для обратимой точной настройки синтетических промоторов. В экспериментальном исследовании на модели самцов мышей с диабетом 1 типа трансдермальная стимуляция один раз в день подкожно имплантированных микроинкапсулированных инженерных клеток человека с помощью игл для акупунктуры под напряжением (4,5 В постоянного тока в течение 10 с) стимулировала высвобождение инсулина и восстанавливала нормогликемию. Мы считаем, что эта технология позволит носимым электронным устройствам напрямую программировать метаболические вмешательства.

Взаимосвязанные интеллектуальные электронные устройства все больше доминируют в нашей повседневной жизни и формируют наше понимание здоровья1; однако электронные и биологические системы функционируют совершенно по-разному и во многом несовместимы из-за отсутствия функционального интерфейса связи. В то время как биологические системы являются аналоговыми, запрограммированы генетикой, медленно обновляются в ходе эволюции и контролируются ионами, протекающими через изолированные мембраны, электронные системы являются цифровыми, программируются с помощью легко обновляемого программного обеспечения и управляются электронами, текущими по изолированным проводам. Электрогенетические интерфейсы, которые позволили бы электронным устройствам контролировать экспрессию генов, остаются недостающим звеном на пути к полной совместимости и взаимодействию электронного и генетического миров2.

Синтетическая биология решила эту задачу, объединив простые аналоговые генные переключатели в сложные генные схемы, которые могут программировать клеточное поведение с помощью функций логической обработки электронных схем, таких как генераторы3, таймеры4, памяти5, полосовые фильтры6 и релейные переключатели7, а также аналоговые -цифровые преобразователи8, полусумматоры9 и даже полные сумматоры10. Полезность многих из этих генных цепей была продемонстрирована в экспериментальном контроле различных заболеваний, включая рак3, бактериальные инфекции11, хроническую боль12 и диабет13. Генные схемы обычно включают в себя индуцируемые триггером генные переключатели, которые контролируются низкомолекулярными соединениями, такими как антибиотики14, витамины15, пищевые добавки16, косметика17 или летучие ароматизаторы8. Поскольку различия в биодоступности, плейотропных побочных эффектах и ​​фармакодинамике могут поставить под угрозу общую регуляторную эффективность таких триггеров у млекопитающих, внимание все чаще обращается к немолекулярным бесследным физическим сигналам, таким как электромагнитные волны, включая свет18,19, магнитные поля20, радиоволны21. и тепло22; однако физически запускаемые переключения генов могут потребовать большого количества энергии21, могут включать в себя нефизиологические химические или неорганические кофакторы с побочными эффектами19, плохой биодоступностью23 или коротким периодом полураспада24, могут страдать от цитотоксичности, вызванной освещением25, и могут быть осложнены любым заболеванием, связанным с лихорадкой22.

Таким образом, существует потребность в устройстве, позволяющем осуществлять прямую электрическую настройку экспрессии генов млекопитающих с питанием от батареи, без кофакторов, в зависимости от времени и напряжения, чтобы подготовить почву для электроуправляемой экспрессии генов на переносных устройствах с потенциалом для подключения медицинских вмешательств к Интернету тела или Интернету вещей. Новаторские попытки создать электроиндуцируемую экспрессию генов в бактериях26,27,28,29,30 и клетках млекопитающих31,32,33 оказались многообещающими в клеточных культурах, но были либо несовместимы с применениями in vivo из-за цитотоксичности, ограниченной биодоступности и плохих клинических результатов. совместимость электрочувствительных окислительно-восстановительных соединений26,31 или необходимость переменного тока высокого напряжения, контролируемого сложными биоэлектронными имплантатами с ограниченным сроком службы32. Такие устройства не подходят для использования в носимых устройствах с батарейным питанием для программирования терапевтической экспрессии трансгена в имплантированных клетках32.