直流電流によって哺乳動物の遺伝子発現をプログラムするための電気遺伝学的インターフェース

Jul 14, 2023

Nature Metabolism volume 5、pages 1395–1407 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

ウェアラブル電子デバイスは、個別化された医療介入のために個人の健康データを取得する際に果たす役割が急速に拡大しています。 ただし、ウェアラブルには直接的な電気遺伝学的インターフェースがないため、遺伝子ベースの治療を直接プログラムすることはまだできません。 今回我々は、直流（DC）作動制御技術（DART）と呼ぶ電気遺伝学的インターフェースを開発することでミッシングリンクを提供する。これにより、バッテリーからのDCを使用してヒト細胞における電極媒介、時間および電圧依存性の導入遺伝子発現が可能になる。 DART は、DC 電源を利用して無毒性レベルの活性酸素種を生成し、バイオセンサーを介して作用して合成プロモーターを可逆的に微調整します。 1型糖尿病雄マウスモデルを用いた概念実証研究では、皮下に移植されたマイクロカプセル化された人工ヒト細胞を通電した鍼（DC4.5Vで10秒間）で1日1回経皮刺激すると、インスリン放出が刺激され、正常血糖が回復した。 私たちは、この技術によりウェアラブル電子デバイスが代謝介入を直接プログラムできるようになると信じています。

相互接続されたスマート電子デバイスが私たちの日常生活をますます支配し、私たちの健康意識を形成しています1。 ただし、電子システムと生物学的システムは根本的に異なる方法で機能し、機能的な通信インターフェイスが欠如しているため、ほとんど互換性がありません。 生物学的システムはアナログであり、遺伝学によってプログラムされ、進化によってゆっくりと更新され、絶縁膜を流れるイオンによって制御されます。一方、電子システムはデジタルであり、容易に更新可能なソフトウェアによってプログラムされ、絶縁ワイヤを流れる電子によって制御されます。 電子機器による遺伝子発現の制御を可能にする電気遺伝学的インターフェースは、電子世界と遺伝子世界​​の完全な互換性と相互運用性への道において、依然としてミッシングリンクとなっています2。

合成生物学は、単純なアナログ遺伝子スイッチを、発振器 3、タイマー 4、メモリ 5、バンドパス フィルター 6、リレー スイッチ 7 やアナログ回路などの電子回路の論理処理機能を使用して細胞の挙動をプログラムできる複雑な遺伝子回路に組み立てることによって、この課題に取り組んできました。 -デジタルコンバータ8、半加算器9、さらには全加算器10。 これらの遺伝子回路の多くは、がん 3、細菌感染 11、慢性疼痛 12、糖尿病 13 などのさまざまな病状の実験的制御において有用であることが実証されています。 遺伝子回路には通常、抗生物質 14、ビタミン 15、食品添加物 16、化粧品 17、または揮発性香料 8 などの小分子化合物によって制御されるトリガー誘導性遺伝子スイッチが組み込まれています。 バイオアベイラビリティ、多面発現性の副作用、および薬力学の違いにより、哺乳動物宿主におけるそのようなトリガーの全体的な調節性能が危険にさらされる可能性があるため、光18,19、磁場20、電波21を含む電磁波などの非分子の痕跡のない物理的手がかりにますます注目が集まっています。そして熱22。 しかし、物理的に誘発される遺伝子スイッチは高エネルギー入力を必要とする可能性があり 21、副作用 19、乏しい生物学的利用能 23 または短い半減期 24 を伴う非生理学的化学または無機補因子が関与する可能性があり、照明に基づく細胞毒性 25 に悩まされる可能性があり、発熱に関連する病状によって混乱する可能性があります 22。

したがって、可能性を備えたウェアラブルベースの電気制御遺伝子発現の準備を整えるために、バッテリ駆動で補因子を使用せず、時間と電圧に依存して哺乳動物の遺伝子発現を直接電気的に微調整できるデバイスが必要です。医療介入を身体のインターネットやモノのインターネットに接続すること。 細菌26、27、28、29、30および哺乳動物細胞31、32、33における電気誘導性遺伝子発現を設計する先駆的な試みは、細胞培養において有望であることが証明されたが、細胞毒性、限られたバイオアベイラビリティおよび貧弱な臨床効果のため、生体内応用には適合しない。電気感受性レドックス化合物の適合性26,31、または寿命が限られた複雑な生体電子インプラントによって制御される高電圧交流が必要32。 このようなデバイスは、移植細胞での治療用導入遺伝子発現をプログラムするためのバッテリー駆動のウェアラブルでの使用には適していません 32。