Magnetogenetica
Magnetogenetica se referă la o tehnică biologică care implică utilizarea câmpurilor magnetice pentru a controla de la distanță activitatea celulară.
În majoritatea cazurilor, stimularea magnetică se transformă în forță (genetică magnetic-mecanică) sau căldură (genetică magnetic-termică), care depinde de câmpul magnetic aplicat. Prin urmare, celulele sunt, în general, proiectate genetic pentru a exprima canale ionice care sunt legate mecanic sau termic. Ca atare, magnetogenetica este o metodă de modulare a celulelor care utilizează o combinație de magnetism și tehnici genetice pentru a controla activitățile celulelor individuale în țesuturile vii, chiar și în interiorul animalelor în mișcare liberă. Această tehnică este comparabilă cu optogenetica , care este manipularea comportamentului celular folosind lumina. În magnetogenetică, stimularea magnetică este utilizată în locul luminii, o caracteristică care permite o modulare mai puțin invazivă, mai puțin toxică și fără fir a activității celulare.
Controlul activității celulare se realizează prin utilizarea compușilor magnetici precum feritina sau nanoparticulele magnetice. Acești compuși sunt proiectați pentru a se atașa la canalele ionice care sunt exprimate genetic pe celule specifice. Controlul activității este, prin urmare, limitat la celulele predefinite genetic și efectuat într-un mod specific spațiu-timp prin stimulare magnetică.
Istorie
Dezvoltarea tehnologiilor genetice capabile să moduleze procesele celulare a contribuit în mare măsură la cercetarea biologică. Un exemplu reprezentativ este dezvoltarea optogeneticii, care este un set de instrumente de neuro-modulare care implică proteine sensibile la lumină. Acest avans a oferit baza pentru o descoperire în legarea relației cauzale dintre activitatea neuronală și rezultatul comportamental.
Principalul punct forte al instrumentelor genetice utilizate în modularea neuro este că acestea pot asigura o modulare precisă a sistemului nervos cerebral, spațial sau temporal, sau ambele. Până în prezent, diferite tehnologii sunt adaptate geneticii (de exemplu, optogenetică, chimiogenetică etc.) și fiecare tehnologie are puncte tari și limitări. De exemplu, optogenetica are avantaje prin faptul că poate asigura o manipulare precisă și spațială a neuronilor. Pe de altă parte, implică stimularea luminii, care nu poate pătrunde în mod eficient în țesuturi și necesită dispozitive optice implantate.
Tehnicile care se bazează pe controlul magnetic al procesului celular sunt relativ noi. Această tehnică poate oferi o abordare care nu necesită implantarea de electrozi invazivi sau dispozitive optice. Această metodă va permite penetrarea în regiunea mai profundă a creierului și poate avea o latență de răspuns mai mică. În 1980, Young și colegii săi au demonstrat că câmpurile magnetice cu magnitudini în intervalul millitesla sunt capabile să pătrundă în creier fără atenuarea semnalului sau efecte secundare din cauza susceptibilității magnetice neglijabile și a conductivității scăzute a țesutului biologic. Primele încercări de a manipula semnalizarea electrică în creier folosind câmpuri magnetice au fost făcute de Baker, care a dezvoltat ulterior dispozitive de stimulare magnetică transcraniană (TMS) în 1985.
Pentru a aplica magnetogenetica în cercetarea biologică și neuroștiințifică, s-a sugerat fuzionarea receptorilor din clasa TRPV cu o proteină paramagnetică (de obicei feritină). Aceste proteine paramagnetice, care conțin de obicei fier sau au cofactori care conțin fier, sunt apoi stimulate magnetic. Nu este clar cum această tehnică poate modula activitatea neuronală, dar se crede că canalele ionice sunt activate și deschise atât de forța mecanică exercitată de proteinele paramagnetice, cât și de încălzirea acestora prin stimulare magnetică. Cu toate acestea, disponibilitatea unor astfel de proteine paramagnetice ca un traductor de câmp magnetic pentru stimuli mecanici sau de temperatură este controversată.
Pe de altă parte, nanoparticulele au fost sugerate ca posibili candidați care pot funcționa ca un traductor de câmp magnetic la semnalul de stimul. Pe baza acestui concept, se dezvoltă următoarea generație de tehnici magnetogenetice. În 2010, Arnd Pralle și colegiul au demonstrat că prima stimulare magneto-termică in vivo a canalului ionic sensibil la căldură TRPV1 utilizând nanoparticule magnetice ca transductor în C. elegans. În 2015, echipa de cercetare a Polinei Anikeeva a arătat că un concept similar poate îmbunătăți semnalele neuronale din creierul mamiferelor. În 2021, echipa de cercetare a lui Jinwoo Cheon a dezvoltat cu succes genetica magneto-mecanică care folosește forța mecanică derivată din stimularea magnetică la mamifere. În acest studiu, cuplul magnetic prin câmp magnetic rotativ a fost utilizat pentru a activa canalul cationic mecanosensibil Piezo1. Rezultatele acestui studiu arată că manipularea la distanță in vivo a comportamentului șoarecelui poate fi efectuată folosind magnetogenetica.
