Бактериальные гены усиливают электрический ток в клетках человека
Биомедицинские инженеры из Университета Дьюка использовали гены ионных каналов бактерий, которые после небольшой модификации могут создавать и усиливать электрические сигналы в клетках человека, делая их более электрически возбудимыми.
Эта методика в будущем может быть использована для лечения сердечных аритмий или восстановления электрических функций в рубцовой ткани сердца или нервной системы. Она также может оказаться полезной для лечения ряда генетических заболеваний, связанных с плохой проводимостью в человеческих натриевых и кальциевых каналах.
Исследование опубликовано онлайн в журнале Nature Communications 18 октября.
У млекопитающих гены, контролирующие натриевые ионные каналы, ответственные за электрическую активность клетки, удивительно велики. К сожалению, они слишком велики, чтобы их можно было эффективно доставить в клетки с помощью вируса — стандартной процедуры в современных методах генной терапии.
Чтобы обойти эту проблему с размером, команда из Дьюка доставила в первичные клетки человека в лабораторных условиях более мелкие ионные каналы, сконструированные из бактериальных генов. С этими заменяющими каналами клетки, которые в норме не производят электрических сигналов, стали электрически активными, а клетки, которые обычно производят сигналы, делали это сильнее.
«В современной медицинской практике нет ничего, что могло бы стабильно усилить электрическую возбудимость клеток сердца или мозга. Нет лекарств, которые могли бы эффективно это сделать, а любые гены млекопитающих, которые могли бы помочь, слишком велики для применения в генной терапии. Однако наша методика использует гораздо меньшие бактериальные ионные каналы, которые оказались успешными в клетках человека в лаборатории. Сейчас мы тестируем это на живых животных», — сказал Ненад Бурсач, профессор биомедицинской инженерии в Дьюке.
Хотя бактериальные гены, кодирующие натриевые каналы, отличаются от человеческих, эволюция сохранила многие сходства в конструкции ионных каналов с тех пор, как многоклеточные животные отделились от бактерий сотни миллионов лет назад.
Хунг Нгуен, аспирант лаборатории Бурсача, мутировал эти бактериальные гены так, чтобы кодируемые ими каналы могли стать активными в клетках человека.
В одном эксперименте исследователи разместили культивируемые клетки в несколько параллельных линий, чередуя электрически активные и неактивные клетки. При стимуляции с одного конца электрический сигнал распространялся по линиям очень медленно.
Затем исследователи доставили три гена в электрически неактивные клетки: один бактериальный ген для натриевого ионного канала и два вспомогательных гена, кодирующих калиевый канал и коннексин-43 — белок, который помогает передавать электрические сигналы между клетками.
При доставке в невозбудимые клетки, взятые из кожи, сердца и мозга, трио генов заставило клетки стать электрически активными, ускорив распространение электрических сигналов по линиям.
«Можно представить использование этого для изменения электрически мертвой рубцовой ткани сердца после инфаркта, чтобы преодолеть разрывы между здоровыми клетками», — сказал Нгуен, отметив, что все три гена достаточно малы, чтобы их можно было доставить одновременно одним вирусом.
Нгуен и Бурсач также показали, что ген, кодирующий бактериальный натриевый канал, сам по себе может усиливать возбудимость уже электрически активных клеток. Во втором эксперименте они доставили ген натриевого канала в кардиомиоциты — электрически активные клетки сердца — в условиях, имитирующих различные заболевания или стрессовые ситуации, такие как сердечный приступ.
«В этих патологических условиях эти клетки становятся электрически молчащими. Но когда мы добавляем бактериальный канал, мы можем заставить их проводить электрические сигналы в более тяжелых условиях», — сказал Бурсач.
Нгуен добавляет, что эта работа вносит вклад в растущий объем исследований, которые ищут помощи для нашего здоровья у так называемых «примитивных» организмов.
«Существует большой пул видов бактерий, натриевые каналы которых могут иметь несколько иные электрические характеристики. Эти каналы также можно модифицировать для пропускания ионов кальция. Мы разрабатываем основу для других, чтобы начать исследовать эти возможности», — сказал Нгуен.
«Я думаю, эта работа действительно захватывающая. Мы, по сути, заимствуем у бактерий, чтобы в конечном итоге помочь людям, страдающим от болезней сердца или мозга», — сказал Бурсач.