纳米粒子-细胞界面使哺乳动物转基因表达的电磁无线编程成为可能

最近的技术进步正在推动尖端技术的发展，这些技术可以高精度地监测和控制生理过程。这些包括可以控制生物体内基因表达的设备，而不需要侵入性手术或程序。

苏黎世联邦理工学院的研究人员最近推出了一种新方法，通过纳米粒子和细胞的界面，实现了哺乳动物转基因无线表达调控（EMPOWER）的电磁编程。

他们在《自然纳米技术》上发表的一篇论文中提出的方法可以帮助治疗包括糖尿病在内的慢性疾病，同时也为合成生物学和再生医学的研究开辟了新的可能性。

“我们最近的研究都是为了应对生物医学中持续存在的挑战，即精确和非侵入性地控制生物体内的治疗基因表达，”该论文的资深作者Martin Fussenegger告诉Phys.org。

“我理解传统方法可能有点棘手。它们要么需要侵入性程序，要么可能不如我们希望的那样精确或坚固。这激发了我们使用磁场进行无线控制，利用它们在没有直接接触或侵入性设备的情况下安全有效地穿透生物组织的能力。”

>Fussenegger及其同事最近研究的主要目的是设计一种安全且稳健的方法，用于可靠地控制哺乳动物从远处产生的治疗性蛋白质的量。他们在论文中介绍的方法依赖于由多铁性材料制成的纳米粒子，这些纳米粒子涂有一种名为壳聚糖的生物相容性聚合物。Fussenegger解释说：“当这些纳米粒子受到低频磁场的刺激时，它们会在细胞质内产生生物安全水平的活性氧（ROS）。”。

“我们利用细胞KEAP1/NRF2通路改造哺乳动物细胞，使其包含一个对这些ROS信号敏感的遗传回路。当检测到ROS时，它就像是NRF2蛋白忙碌的信号，它们共同作用，使选定的治疗性蛋白质（如胰岛素）活起来。”

Fussenegger及其同事引入的纳米粒子-细胞界面的一个关键优势是，它能够精确控制基因何时何地表达。此外，该方法温和且无创，因为它不需要苛刻的程序或高能刺激。

与之前提出的其他基于纳米粒子的无线控制基因表达的方法相比，该团队的方法具有高度的生物相容性，需要较低的纳米粒子剂量，同时还可以最大限度地减少脱靶效应。为了证明其潜力，研究人员在糖尿病小鼠模型上进行了测试。Fussenegger说：“在这个实验中，我们每天只将小鼠暴露在弱电磁场（1 kHz，21 mT）中三分钟。”。

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“这很好地控制了他们的胰岛素分泌，并在整个研究过程中保持了他们的血糖水平正常。我们很高兴分享我们研究中最重要的成就：我们通过细胞内纳米颗粒作为界面磁性接收器，成功地将无线电磁控制与哺乳动物细胞中的天然转基因表达连接起来。”

研究人员使用的纳米颗粒被引入细胞质，细胞质是细胞中核周围的果冻状物质。这使得纳米粒子能够与细胞进行通信，利用化学活性氧（ROS），这是一类在细胞中自然产生的活性氧分子。Fussenegger说：“即使纳米粒子直接与蛋白质相互作用，这也是真的。”。“我们的结构很棒，因为它让细胞协同工作，而且不会破坏工程细胞的完整性。这有助于我们获得所需的结果，但没有任何问题。”

这个研究小组设计的纳米粒子-细胞界面可能具有很高的医学应用价值。值得注意的是，该方法利用非常弱的电磁场（低于1kHz）和低功率（21mT），同时在很短的时间内（三分钟）刺激细胞。“这比临床MRI扫描中使用的水平要弱得多，”Fussenegger说。“因此，我们的方法对于管理慢性疾病非常有价值，因为它可以让我们远程和动态地调整治疗。这将消除重复注射、侵入性植入或全身药物给药的需要。”

未来，该团队远程控制转基因表达的方法可以在临床环境中进行测试和实施。研究人员现在正在探索他们的方法在肿瘤学、神经病学和再生医学领域的潜在应用，同时也在努力改进基于纳米粒子的系统。

“在我们的下一项研究中，我们将专注于使我们的系统更加灵敏、生物相容性和高效，”Fussenegger补充道。

“我们还计划对电磁刺激设备进行一些改进。我们希望使其更紧凑，以便在临床环境中更容易使用。

”我们期待着在未来做得更多。我们将把这个平台用于其他慢性疾病。我们还将探索其他遗传回路。我们将为临床前和临床评估做好技术准备。p