De nanodeeltjes zijn samengesteld uit multiferrische kernen (kobaltferriet en bismut -ferriet die reageren op magnetisch veld) en chitosan buitenste lagen (die rijk is aan een positieve aminogroep voor translocatie nanodeeltjes naar cytoplasma en beschermt het bio -eunvironment van de nanoaprices). Credit: Lin et al.
Recente technologische vooruitgang voedt de ontwikkeling van geavanceerde technologieën die fysiologische processen met hoge precisie kunnen volgen en beheersen. Deze omvatten apparaten die de expressie van genen binnen levende organismen kunnen regelen, zonder invasieve operaties of procedures te vereisen.
Onderzoekers van ETH Zürich hebben onlangs een nieuwe methode geïntroduceerd die de elektromagnetische programmering van de draadloze expressieregulatie (empower) van transgenen bij zoogdieren mogelijk maakt, via de interface van nanodeeltjes en cellen.
Hun voorgestelde aanpak, in een paper uiteengezet gepubliceerd in Natuurnanotechnologiezou kunnen helpen bij het behandelen van chronische aandoeningen, waaronder diabetes, terwijl ook nieuwe mogelijkheden voor onderzoek in synthetische biologie en regeneratieve geneeskunde worden geopend.
“Onze recente studie gaat helemaal over het aanpakken van de voortdurende uitdaging in biomedicine van precies en niet-invasief beheersende therapeutische genexpressie in levende organismen,” vertelde Martin FusSenegger, senior auteur van de paper, aan Phys.org.
“Ik begrijp dat conventionele methoden een beetje lastig kunnen zijn. Of ze vereisen invasieve procedures, of ze zijn misschien niet zo nauwkeurig of robuust als we zouden willen. Dit inspireerde ons om magnetische velden te gebruiken voor draadloze controle, profiteren van hun vermogen om biologische weefsels veilig en effectief zonder direct contact of invasieve apparaten te doordringen.”
Het hoofddoel van de recente studie van Fussenegger en hun collega’s was om een ​​veilige en robuuste benadering te bedenken om de hoeveelheid van een therapeutisch eiwit van zoogdieren op afstand betrouwbaar te regelen. De methode die ze in hun paper hebben geïntroduceerd, is gebaseerd op nanodeeltjes gemaakt van multiferroïsche materialen, die werden bekleed met een biocompatibel polymeer genaamd chitosan.
“Wanneer deze nanodeeltjes worden gestimuleerd door een laagfrequent magnetisch veld, genereren ze biosafe niveaus van reactieve zuurstofspecies (ROS) in het celcytoplasma,” verklaarde Fussegger.
“We hebben zoogdiercellen ontworpen om een ​​genetisch circuit op te nemen dat gevoelig is voor deze ROS -signalen, met behulp van de cellulaire KEAP1/NRF2 -route. Wanneer ROS wordt gedetecteerd, is het als een signaal voor NRF2 -eiwitten om druk te worden en ze werken samen om geselecteerde therapeutische eiwitten zoals insuline, tot leven te brengen.”
Een belangrijk voordeel van de nanodeeltjes-celinterface geïntroduceerd door Fussenegger en zijn collega’s is dat het nauwkeurige controle mogelijk maakt over wanneer en waar men wil dat een gen tot expressie wordt gebracht. Bovendien is de methode zachtaardig en niet-invasief, omdat deze geen eisende procedures of hoge energiestimulatie vereist.
Vergeleken met andere eerder voorgestelde op nanodeeltjes gebaseerde methoden voor de draadloze controle van genexpressie, is de benadering van het team zeer bio-compatibel en vereist lagere doseringen van nanodeeltjes, terwijl ook off-target effecten worden geminimaliseerd. Om het potentieel ervan aan te tonen, testten de onderzoekers het op een muismodel van diabetes.
De gestimuleerde insuline-afgifte kan worden bereikt door een door een enkel spoel gegenereerd elektromagnetisch veld met een E-vormige ijzeren kern bij een vlak 3-5 mm van het spoeloppervlak, dat overeenkomt met de diepte van subcutane implantatie bij muizen. Credit: Lin et al.
“In dit experiment hebben we muizen blootgesteld aan een zwak elektromagnetisch veld (1 kHz, 21 MT) gedurende slechts drie minuten per dag,” zei Fussenegger.
“Dit beheerste hun insulinesecretie heel goed en hield hun bloedglucosewaarden normaal tijdens de hele studie. We zijn zo enthousiast om de belangrijkste prestatie van onze studie te delen: we hebben met succes draadloze elektromagnetische controles verbonden met natuurlijke transgene expressie in zoogdiercellen via intracellulaire nanodeeltjes als interfaciale magnetische ontvangers.”
De nanodeeltjes die door de onderzoekers werden gebruikt, werden geïntroduceerd in het cytoplasma, de gelei-achtige stof die de kern in cellen omringt. Hierdoor konden de nanodeeltjes communiceren met de cellen, waardoor chemische reactieve zuurstofspecies (ROS) gebruikten, een klasse van reactieve zuurstofhoudende moleculen die op natuurlijke wijze in cellen worden geproduceerd.
“Dit was waar, zelfs wanneer de nanodeeltjes rechtstreeks met de eiwitten interactie hadden,” zei Fussenegger. “Onze constructie is geweldig omdat het de cellen samenwerkt, en dit doet dit zonder de integriteit van ontwikkelde cellen te verstoren. Dit helpt ons de resultaten te krijgen die we nodig hebben, maar zonder de problemen.”
De nanodeeltjes-celinterface bedacht door dit team van onderzoekers zou zeer waardevolle medische toepassingen kunnen hebben. De aanpak maakt met name gebruik van een zeer zwak elektromagnetisch veld (onder 1 kHz) en laag vermogen (21 MT), terwijl ze cellen gedurende een zeer korte tijd (drie minuten) stimuleren.
“Dit is veel zwakker dan de niveaus die worden gebruikt in klinische MRI -scans,” zei Fussenegger. “Onze aanpak kan dus zeer waardevol zijn voor het beheer van chronische ziekten, omdat het ons de therapie op afstand en dynamisch zou laten aanpassen. Dit zou de noodzaak van herhaalde injecties, invasieve implantaten of systemische geneesmiddelenadministratie elimineren.”
In de toekomst kan de aanpak van het team voor het op afstand beheersen van transgene expressie worden getest en geïmplementeerd in klinische instellingen. De onderzoekers onderzoeken nu de potentiële toepassing van hun methode op het gebied van oncologie, neurologie en regeneratieve geneeskunde, terwijl ze ook werken aan het verbeteren van hun op nanodeeltjes gebaseerde systeem.
“In onze volgende studies gaan we ons concentreren op het maken van ons systeem nog gevoeliger, biocompatibel en efficiënter,” voegde Fussegger toe.
“We zijn ook van plan om enkele verbeteringen aan te brengen in de elektromagnetische stimulatieapparatuur. We willen het compacter maken, dus het is gemakkelijker te gebruiken in een klinische setting.
“We kijken ernaar uit om in de toekomst nog meer te doen. We gaan dit platform gebruiken voor andere chronische ziekten. We gaan ook alternatieve genetische circuits verkennen. En we gaan de technologie klaarmaken voor preklinische en klinische evaluatie.”
Meer informatie:
Zhihua Lin et al, elektromagnetische draadloze afstandsbediening van de expressie van zoogdieren, zoogdier, Natuurnanotechnologie (2025). Doi: 10.1038/s41565-025-01929-W
Dagboekinformatie:
Natuurnanotechnologie
