Den senaste tidens tekniska framsteg driver på utvecklingen av banbrytande teknik som kan övervaka och styra fysiologiska processer med hög precision. Det handlar bland annat om utrustning som kan styra uttrycket av gener i levande organismer utan att det krävs invasiva operationer eller ingrepp.
Forskare vid ETH Zürich introducerade nyligen en ny metod som möjliggör elektromagnetisk programmering av trådlös reglering av transgeners uttryck (EMPOWER) i däggdjur, via gränssnittet mellan nanopartiklar och celler.
Den föreslagna metoden, som beskrivs i en artikel publicerad i Nature Nanotechnology, kan bidra till att behandla kroniska sjukdomar, inklusive diabetes, samtidigt som den öppnar nya möjligheter för forskning inom syntetisk biologi och regenerativ medicin.
”Vår senaste studie handlar om att ta itu med den pågående utmaningen inom biomedicinen att exakt och icke-invasivt kontrollera terapeutiskt genuttryck i levande organismer”, säger Martin Fussenegger, senior författare till artikeln, till Phys.org.
”Jag förstår att konventionella metoder kan vara lite knepiga. Antingen kräver de invasiva ingrepp, eller så är de kanske inte så exakta eller robusta som vi skulle vilja. Detta inspirerade oss till att använda magnetfält för trådlös styrning och dra nytta av deras förmåga att tränga igenom biologiska vävnader på ett säkert och effektivt sätt utan direktkontakt eller invasiva apparater.”
Huvudsyftet med den studie som Fussenegger och hans kollegor nyligen genomförde var att ta fram en säker och robust metod för att på ett tillförlitligt sätt kontrollera mängden av ett terapeutiskt protein som produceras av däggdjur på avstånd. Metoden som de presenterade i sin artikel bygger på nanopartiklar tillverkade av multiferroiska material, som belagts med en biokompatibel polymer som kallas chitosan.
”När dessa nanopartiklar stimuleras av ett lågfrekvent magnetfält genererar de biosäkra nivåer av reaktiva syreföreningar (ROS) i cellens cytoplasma”, förklarar Fussenegger.
”Vi konstruerade däggdjursceller så att de innehåller en genetisk krets som är känslig för dessa ROS-signaler, med hjälp av den cellulära KEAP1/NRF2-vägen. När ROS upptäcks är det som en signal till NRF2-proteinerna att sätta igång, och de arbetar tillsammans för att väcka utvalda terapeutiska proteiner, som insulin, till liv.”
En viktig fördel med det nanopartikel-cellgränssnitt som Fussenegger och hans kollegor introducerade är att det möjliggör exakt kontroll över när och var man vill att en gen ska uttryckas. Dessutom är metoden skonsam och icke-invasiv, eftersom den inte kräver krävande procedurer eller högenergistimulering.
Jämfört med andra tidigare föreslagna nanopartikelbaserade metoder för trådlös styrning av genuttryck är forskargruppens metod mycket biokompatibel och kräver lägre doser av nanopartiklar, samtidigt som den minimerar effekterna utanför målet. För att demonstrera dess potential testade forskarna den på en musmodell av diabetes.
Den stimulerade insulinfrisättningen kan uppnås genom ett elektromagnetiskt fält som genereras av en enda spole med en E-formad järnkärna i ett plan 3-5 mm från spolytan, vilket motsvarar djupet för subkutan implantation hos möss. Kredit: Lin et al.
”I det här experimentet utsatte vi mössen för ett svagt elektromagnetiskt fält (1 kHz, 21 mT) under bara tre minuter varje dag”, säger Fussenegger.
”Detta kontrollerade deras insulinutsöndring riktigt bra och höll deras blodsockernivåer normala under hela studien. Vi är så glada över att kunna dela med oss av det viktigaste resultatet av vår studie: vi har lyckats koppla trådlösa elektromagnetiska kontroller till naturligt transgenuttryck i mammalieceller via intracellulära nanopartiklar som magnetiska mottagare på gränssnittet.”
De nanopartiklar som forskarna använde infördes i cytoplasman, den geléartade substans som omger cellkärnan i cellerna. På så sätt kunde nanopartiklarna kommunicera med cellerna genom att utnyttja kemiska reaktiva syreföreningar (ROS), en klass av reaktiva syrehaltiga molekyler som produceras naturligt i cellerna.
”Detta gällde även när nanopartiklarna interagerade direkt med proteinerna”, säger Fussenegger. ”Vår konstruktion är fantastisk eftersom den får cellerna att arbeta tillsammans, och den gör det utan att störa integriteten hos de konstruerade cellerna. Det hjälper oss att få de resultat vi behöver, men utan några av problemen.”
Det nanopartikel-cellgränssnitt som forskargruppen har tagit fram kan få mycket värdefulla medicinska tillämpningar. Framför allt används ett mycket svagt elektromagnetiskt fält (under 1 kHz) och låg effekt (21 mT), samtidigt som cellerna stimuleras under mycket kort tid (tre minuter).
”Detta är mycket svagare än de nivåer som används vid kliniska MR-undersökningar”, säger Fussenegger. ”Vår metod skulle därmed kunna vara mycket värdefull för att hantera kroniska sjukdomar, eftersom den skulle göra det möjligt för oss att justera behandlingen på distans och dynamiskt. Detta skulle eliminera behovet av upprepade injektioner, invasiva implantat eller systemisk läkemedelsadministrering.”
I framtiden skulle forskargruppens metod för fjärrstyrning av transgenuttryck kunna testas och implementeras i kliniska miljöer. Forskarna undersöker nu hur deras metod kan tillämpas inom onkologi, neurologi och regenerativ medicin, samtidigt som de arbetar med att förbättra sitt nanopartikelbaserade system.
”I våra kommande studier kommer vi att fokusera på att göra vårt system ännu mer känsligt, biokompatibelt och effektivt”, tillägger Fussenegger.
”Vi planerar också att göra vissa förbättringar av utrustningen för elektromagnetisk stimulering. Vi vill göra den mer kompakt så att den blir lättare att använda i en klinisk miljö.
”Vi ser fram emot att göra ännu mer i framtiden. Vi kommer att använda den här plattformen för andra kroniska sjukdomar. Vi kommer också att utforska alternativa genetiska kretsar. Och vi kommer att göra tekniken redo för preklinisk och klinisk utvärdering.”
För mer information: Zhihua Lin et al, Electromagnetic wireless remote control of mammalian transgene expression, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01929-w
