Магнитогенетика

Магнитогенетика — это метод медицинских исследований, при котором магнитные поля используются для воздействия на функции клеток. ^{[ 1 ]}

История

Развитие генетических технологий, которые могут модулировать клеточные процессы, внесло большой вклад в биологические исследования. Характерным примером является развитие оптогенетики , которая представляет собой набор инструментов нейромодуляции, включающий светочувствительные белки, такие как опсины. Этот прогресс заложил основу для прорыва в установлении причинно-следственной связи между активностью нейронов и поведенческими последствиями.

Главная сила генетических инструментов, используемых в нейромодуляции, заключается в том, что они могут обеспечить точную модуляцию нервной системы мозга либо в пространстве, либо во времени, либо в обоих случаях. На сегодняшний день несколько технологий адаптированы к генетике (например, оптогенетика , хемогенетика и т. д.), и каждая технология имеет сильные и слабые стороны. Например, оптогенетика имеет преимущества в том, что она может обеспечить точные во времени и пространстве манипуляции нейронами. С другой стороны, он включает в себя световую стимуляцию, которая не может эффективно проникать в ткани и требует имплантации оптических устройств, что ограничивает его применение для in vivo. исследований на живых животных

Методы, основанные на магнитном контроле клеточных процессов, являются относительно новыми. Этот метод может обеспечить подход, не требующий имплантации инвазивных электродов или оптических устройств. Этот метод позволит проникнуть в более глубокие области мозга и может иметь меньшую задержку ответа. ^{[ 2 ]} В 1980 году Янг и его коллеги показали, что магнитные поля величиной в миллитесла способны проникать в мозг без затухания сигнала или побочных эффектов из-за незначительной магнитной восприимчивости и низкой проводимости биологической ткани. ^{[ 3 ]} Ранние попытки манипулировать электрическими сигналами в мозге с помощью магнитных полей были предприняты Бейкером и др., которые позже в 1985 году разработали устройства для транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС).

Для применения магнитогенетики в биологических и нейробиологических исследованиях было предложено объединить рецепторы класса TRPV с парамагнитным белком (обычно ферритином ). Эти парамагнитные белки, которые обычно содержат железо или железосодержащие кофакторы, затем подвергаются магнитной стимуляции. Как этот метод может модулировать активность нейронов, остается неясным, но считается, что ионные каналы активируются и открываются либо под действием механической силы, оказываемой парамагнитными белками, либо путем их нагревания посредством магнитной стимуляции. Однако доступность таких парамагнитных белков в качестве преобразователей магнитного поля на механические или температурные стимулы является спорной.

С другой стороны, наночастицы были предложены в качестве возможных кандидатов, которые могут функционировать как преобразователь магнитного поля в сигнал-раздражитель. На основе этой концепции разрабатывается новое поколение методов магнитогенетики. В 2010 году Арнд Пралль и его коллеги показали, что это первая магнитотермическая стимуляция in vivo термочувствительного ионного канала TRPV1 , которая использует магнитные наночастицы в качестве преобразователя у C. elegans . ^{[ 4 ]} В 2012 году Сын Чан Ким продемонстрировал изменение профиля экспрессии генов всего генома человека примерно для 30 000 генов с использованием статических магнитных полей силой 0,2 Тл. ^{[ 5 ]} В 2015 году исследовательская группа Полины Аникеевой продемонстрировала, что подобная концепция может усиливать нейрональные сигналы в мозге млекопитающих. ^{[ 6 ]} В 2021 году исследовательская группа Джину Чона успешно разработала магнитомеханическую генетику, которая использует механическую силу, полученную магнитной стимуляцией у млекопитающих. ^{[ 7 ]} В этом исследовании магнитный момент вращающегося магнитного поля использовался для активации механочувствительного катионного канала Piezo1 . Результаты этого исследования показывают, что дистанционное in vivo манипулирование поведением мышей можно осуществлять с помощью магнитогенетики.

Проблемы

Физическое ограничение ферритина

Один из главных вопросов магнитогенетики связан с физическими свойствами ферритина . ^{[ 8 ]} Ферритин состоит из 24 субъединиц белкового комплекса и небольшого ядра из оксида железа. Ядро ферритина находится в форме гидроксида железа , обладающего антиферромагнитными свойствами. Некоторые исследователи сообщили, что ферритин имеет остаточную намагниченность из-за присущих ему дефектов и примесей. ^{[ 9 ]} Однако даже при оптимистических расчетах энергия магнитного взаимодействия для генерации тепла или силы на несколько порядков ниже энергии тепловых флуктуаций . Недавно другие исследователи выдвинули гипотезу о том, что существуют и другие возможные механизмы активации ионных каналов, но эти исследования остаются безрезультатными.

См. также

Ссылки

^ Дель Соль-Фернандес С., Мартинес-Висенте П., Гомолон-Суэко П., Кастро-Инохоса С., Гутьеррес Л., Фратила Р.М., Морос М. (февраль 2022 г.). «Магнитогенетика: дистанционная активация клеточных функций, запускаемая магнитными переключателями» . Наномасштаб . 14 (6): 2091–2118. дои : 10.1039/d1nr06303k . ПМЦ 8830762 . ПМИД 35103278 .
^ Роет М., Хешам С.А., Джаханшахи А., Руттен Б.П., Аникеева П.О., Темел Ю. (июнь 2019 г.). «Прогресс в нейромодуляции мозга: роль магнитных наночастиц?» (PDF) . Прогресс нейробиологии . 177 : 1–14. doi : 10.1016/j.pneurobio.2019.03.002 . ПМИД 30878723 . S2CID 75139154 .
^ Янг Дж.Х., Ван М.Т., Брезович И.А. (9 мая 1980 г.). «Аспекты частоты/глубины проникновения при гипертермии магнитно-индуцированными токами» . Электронные письма . 16 (10): 358–359. Бибкод : 1980ElL....16..358Y . дои : 10.1049/эл:19800255 . ISSN 1350-911X .
^ Хуан, Хэн; Деликанлы, Савас; Цзэн, Хао; Ферки, Дениз М.; Пралле, Арнд (август 2010 г.). «Дистанционное управление ионными каналами и нейронами посредством нагрева наночастиц магнитным полем» . Природные нанотехнологии . 5 (8): 602–606. Бибкод : 2010NatNa...5..602H . дои : 10.1038/nnano.2010.125 . ISSN 1748-3387 . ПМИД 20581833 . S2CID 3084460 .
^ Я, Усок; Ли, Сун-Тэ; Ким, Сын Чан (2012). «Анализ профиля экспрессии генов в культивируемых нейрональных клетках человека после статической магнитной стимуляции» . Журнал БиоЧип . 6 (3): 254–261. дои : 10.1007/s13206-012-6308-z . S2CID 83476336 .
^ Чен Р., Ромеро Г., Кристиансен М.Г., Мор А., Аникеева П. (март 2015 г.). «Беспроводная магнитотермическая глубокая стимуляция мозга». Наука . 347 (6229): 1477–80. Бибкод : 2015Sci...347.1477C . дои : 10.1126/science.1261821 . hdl : 1721.1/96011 . ПМИД 25765068 . S2CID 43687881 .
^ Ли, Юнг-ук; Шин, Укджин; Лим, Юнджун; Ким, Юнгсил; Ким, Вун Рён; Ким, Хихун; Ли, Джэ Хён; Чхон, Джину (28 января 2021 г.). «Бесконтактная дальнодействующая магнитная стимуляция механочувствительных ионных каналов у свободно передвигающихся животных» . Природные материалы . 20 (7): 1029–1036. Бибкод : 2021NatMa..20.1029L . дои : 10.1038/s41563-020-00896-y . ISSN 1476-1122 . ПМИД 33510447 . S2CID 231747654 .
^ Мейстер М (август 2016 г.). «Физические пределы магнитогенетики» . электронная жизнь . 5 : е17210. arXiv : 1604.01359 . дои : 10.7554/eLife.17210 . ПМК 5016093 . ПМИД 27529126 .
^ Ютц Г., ван Рейн П., Сантос Миранда Б., Бёкер А. (февраль 2015 г.). «Ферритин: универсальный строительный блок для бионанотехнологий». Химические обзоры . 115 (4): 1653–701. дои : 10.1021/cr400011b . ПМИД 25683244 .

[1] Дель Соль-Фернандес С., Мартинес-Висенте П., Гомолон-Суэко П., Кастро-Инохоса С., Гутьеррес Л., Фратила Р.М., Морос М. (февраль 2022 г.). «Магнитогенетика: дистанционная активация клеточных функций, запускаемая магнитными переключателями» . Наномасштаб . 14 (6): 2091–2118. дои : 10.1039/d1nr06303k . ПМЦ 8830762 . ПМИД 35103278 .

[2] Роет М., Хешам С.А., Джаханшахи А., Руттен Б.П., Аникеева П.О., Темел Ю. (июнь 2019 г.). «Прогресс в нейромодуляции мозга: роль магнитных наночастиц?» (PDF) . Прогресс нейробиологии . 177 : 1–14. doi : 10.1016/j.pneurobio.2019.03.002 . ПМИД 30878723 . S2CID 75139154 .

[3] Янг Дж.Х., Ван М.Т., Брезович И.А. (9 мая 1980 г.). «Аспекты частоты/глубины проникновения при гипертермии магнитно-индуцированными токами» . Электронные письма . 16 (10): 358–359. Бибкод : 1980ElL....16..358Y . дои : 10.1049/эл:19800255 . ISSN 1350-911X .

[4] Хуан, Хэн; Деликанлы, Савас; Цзэн, Хао; Ферки, Дениз М.; Пралле, Арнд (август 2010 г.). «Дистанционное управление ионными каналами и нейронами посредством нагрева наночастиц магнитным полем» . Природные нанотехнологии . 5 (8): 602–606. Бибкод : 2010NatNa...5..602H . дои : 10.1038/nnano.2010.125 . ISSN 1748-3387 . ПМИД 20581833 . S2CID 3084460 .

[5] Я, Усок; Ли, Сун-Тэ; Ким, Сын Чан (2012). «Анализ профиля экспрессии генов в культивируемых нейрональных клетках человека после статической магнитной стимуляции» . Журнал БиоЧип . 6 (3): 254–261. дои : 10.1007/s13206-012-6308-z . S2CID 83476336 .

[6] Чен Р., Ромеро Г., Кристиансен М.Г., Мор А., Аникеева П. (март 2015 г.). «Беспроводная магнитотермическая глубокая стимуляция мозга». Наука . 347 (6229): 1477–80. Бибкод : 2015Sci...347.1477C . дои : 10.1126/science.1261821 . hdl : 1721.1/96011 . ПМИД 25765068 . S2CID 43687881 .

[7] Ли, Юнг-ук; Шин, Укджин; Лим, Юнджун; Ким, Юнгсил; Ким, Вун Рён; Ким, Хихун; Ли, Джэ Хён; Чхон, Джину (28 января 2021 г.). «Бесконтактная дальнодействующая магнитная стимуляция механочувствительных ионных каналов у свободно передвигающихся животных» . Природные материалы . 20 (7): 1029–1036. Бибкод : 2021NatMa..20.1029L . дои : 10.1038/s41563-020-00896-y . ISSN 1476-1122 . ПМИД 33510447 . S2CID 231747654 .

[8] Мейстер М (август 2016 г.). «Физические пределы магнитогенетики» . электронная жизнь . 5 : е17210. arXiv : 1604.01359 . дои : 10.7554/eLife.17210 . ПМК 5016093 . ПМИД 27529126 .

[9] Ютц Г., ван Рейн П., Сантос Миранда Б., Бёкер А. (февраль 2015 г.). «Ферритин: универсальный строительный блок для бионанотехнологий». Химические обзоры . 115 (4): 1653–701. дои : 10.1021/cr400011b . ПМИД 25683244 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]