Výzkum částečného přeprogramování buněk a role elektromagnetických polí
Částečné přeprogramování buněk představuje oblast intenzivního zájmu ve výzkumu a vývoji biomedicíny, zejména v souvislosti s potenciálními omlazovacími terapiemi. Do tohoto segmentu bylo v posledních letech investováno značné množství finančních prostředků, což dokládá i založení společností jako Altos Labs a řady dalších biotechnologických firem s neobvykle silným financováním. Základem přeprogramování je exprese takzvaných Yamanakových faktorů, případně jejich části. Zatímco úplné přeprogramování somatické buňky ji postupně transformuje v pluripotentní kmenovou buňku, což replikuje proces raného embryonálního vývoje, částečné přeprogramování je prováděno po kratší dobu. Cílem je pouze obnovení mladistvých epigenetických vzorců genové exprese bez změny buněčného stavu, což tvoří základ pro potenciální omlazovací terapie, pokud lze tento proces efektivně aplikovat v živém organismu.
Výzvy spojené s částečným přeprogramováním se primárně týkají genové terapie. Jde o potřebu precizně kontrolovat míru a dobu trvání genové exprese. Jednotlivé tkáně se skládají z mnoha různých typů buněk, z nichž každá může vyžadovat odlišný přístup k částečnému přeprogramování. Současné vektory genové terapie často narážejí na potíže s efektivní distribucí do mnoha typů tkání. Kontrola nad lokalizací a trváním exprese je proto klíčovou oblastí inovací v oboru. Nedávná studie představuje zajímavý příklad nového přístupu k indukci genové exprese, kde k indukci dochází prostřednictvím pulzních elektromagnetických polí (EMF), namísto použití malých molekul.
Zjištění ze studií na myších
Výzkumníci vyvinuli metodu pro indukci buněčného přeprogramování pomocí elektromagnetických polí. Jelikož úplné buněčné přeprogramování může vést k rozvoji nádorových onemocnění a předčasné mortalitě, vědci implementovali cyklické buněčné přeprogramování. Za tímto účelem geneticky modifikovali starší myši tak, aby aktivovaly geny buněčného přeprogramování v reakci na EMF. Elektromagnetická pole byla aplikována cyklicky k indukci cyklického buněčného přeprogramování. Následně bylo hodnoceno přežití myší až do věku 108 týdnů, což odpovídá přibližně 70 lidským letům. Zjištění naznačují, že více než 75 % přeprogramovaných myší přežilo do 108 týdnů. Pro srovnání, pouze přibližně 60 % neléčených, geneticky modifikovaných myší přežilo do tohoto věku. Míra přežití u normálních, nestárnoucích myší, které nebyly geneticky modifikovány, byla ještě nižší, asi 50 %. Tato data naznačují, že EMF-indukované cyklické buněčné přeprogramování může prodloužit životnost starších myší.
Výzkumníci dále zjistili, že léčba EMF v geneticky upravených myších působila proti některým aspektům stárnutí. Aorta, která s věkem obvykle ztlušťuje, byla obnovena na normální tloušťku. Léčba rovněž zlepšila tloušťku kůže a počet jaterních buněk, které s věkem klesají, a omladila slezinu a ledviny. Byly zaznamenány i známky snížení počtu senescentních buněk, což jsou buňky, které se mohou s věkem hromadit a podporovat zánět a poškození tkání. Myši se také viditelně omladily, projevovaly se méně shrbeným držením těla, zlepšenou péčí o srst a snížením výskytu šedých chlupů.
Mechanismus indukce genové exprese
Vědci se nejprve zaměřili na otázku, které geny přirozeně reagují na elektromagnetická pole. V mozkové tkáni myší identifikovali konkrétní gen, Lgr4, který se dokáže rychle aktivovat a deaktivovat. Dále se soustředili na jeho promotor, úsek DNA, který moduluje zapínání a vypínání genů. Z této oblasti vybrali specifickou sekvenci, kterou pojmenovali Ei, zkratku pro „EMF-inducible DNA element“.
Další experimenty naznačily, že elektromagnetická pole interagují s proteinem Cyb5b (cytochrome b5 type B), čímž spouštějí řetězovou reakci, která uvolňuje kalciové ionty (Ca2+). Zjištění ukazují, že uvolněné Ca2+ oscilovaly na frekvenci, která aktivuje přepínač Ei. Studium mechanismu prostřednictvím CRISPR-Cas9 screeningu potvrdilo protein Cyb5b jako zásadního mediátora, který pravděpodobně funguje jako senzor EMF. Aktivace genového přepínače indukujícího EMF byla spouštěna rytmickou oscilační dynamikou vápníku, nikoli obecným přílivem vápníku, což definuje přesně vyladěný a bio-ortogonální indukční mechanismus.
Další potenciální využití platformy
Kromě in vivo částečného přeprogramování u starších myší pomocí aktivace kaskády Oct4-Sox2-Klf4 (OSK) ukázal EMF-indukovatelný genový přepínač svou všestrannost i v dalších biomedicínských aplikacích. Podmíněná exprese lidského mutovaného amyloid prekurzor proteinu (APP) pro modelování Alzheimerovy choroby (AD) reprodukovala patologické rysy onemocnění. Dále EMF-zprostředkovaná exprese Tph2 obnovila serotonergní aktivitu a zmírnila depresivní chování u myší s mutací Tph2, které sloužily jako model deprese.
Celkově, jak je popsáno ve studii s názvem Electromagnetic field-inducible in vivo gene switch for remote spatiotemporal control of gene expression, vzdáleně ovládaný EMF-indukovatelný genový přepínač představuje všestrannou a efektivní biomedicínskou platformu pro precizní spatiotemporální kontrolu genové exprese.