Когда-нибудь эту технику можно будет использовать для лечения сердечной аритмии или для восстановления электрических функций поврежденных тканей сердца или нервной системы. Он также может оказаться полезным для лечения множества генетических заболеваний, связанных с плохой проводимостью натриевых и кальциевых каналов человека.Исследование появится в Интернете в Nature Communications 18 октября.
У млекопитающих гены, контролирующие ионные каналы натрия, ответственные за электрическую активность клетки, удивительно велики. К сожалению, слишком большие, чтобы их можно было легко доставить в клетки с помощью вируса — стандартная процедура в современных методах генной терапии.Чтобы обойти эту проблему с размером, команда Duke доставила меньшие ионные каналы, сконструированные от бактериальных генов к первичным клеткам человека в лабораторных условиях. С заменой каналов клетки, которые обычно не производят электрические сигналы, стали электрически активными, а клетки, которые обычно производят сигналы, стали более активными.
«В современной медицинской практике нет ничего, что можно было бы сделать для стабильного увеличения электрической возбудимости клеток сердца или мозга», — сказал Ненад Бурсак, профессор биомедицинской инженерии в Duke. «Нет лекарств, которые могли бы сделать это эффективно, и любые гены млекопитающих, которые могли бы помочь, слишком велики для приложений генной терапии. Однако наша методика использует гораздо меньшие бактериальные ионные каналы, которые оказались успешными в человеческих клетках в лаборатории.
Мы в настоящее время тестирует это на живых животных ".Хотя бактериальные гены, кодирующие натриевые каналы, отличаются от своих генов человека, эволюция сохранила многие сходства в конструкции ионных каналов с тех пор, как многоклеточные животные отделились от бактерий сотни миллионов лет назад.
Хунг Нгуен, докторант лаборатории Бурсака, мутировал эти бактериальные гены, чтобы каналы, которые они кодируют, могли стать активными в клетках человека.В одном эксперименте исследователи поместили культивированные клетки в несколько параллельных линий, чередуя электрически активные и неактивные клетки. При стимуляции с одного конца электрический сигнал очень медленно перемещался по линиям.Затем исследователи доставили три гена электрически неактивным клеткам: один бактериальный ген для ионного канала натрия и два поддерживающих гена, кодирующих калиевый канал и коннексин-43, белок, который помогает передавать электрические сигналы между клетками.
При доставке к невозбудимым клеткам, взятым из кожи, сердца и мозга, трио генов заставляло клетки становиться электрически активными, ускоряя электрические сигналы, когда они мчались по линиям.«Вы можете представить, как это можно использовать для изменения электрически отмершей ткани сердечного рубца после сердечного приступа, чтобы заполнить промежутки между здоровыми клетками», — сказал Нгуен, который также отмечает, что все три гена достаточно малы, чтобы доставляться одновременно одним вирусом.Нгуен и Бурсак также показали, что ген, кодирующий бактериальный натриевой канал, может сам по себе повышать возбудимость клеток, которые уже электрически активны. Во втором эксперименте они доставили ген натриевого канала к кардиомиоцитам — электрически активным клеткам сердца — в условиях, имитирующих различные заболевания или стрессовые ситуации, такие как сердечный приступ.
«В этих патологических условиях эти клетки становятся электрически бесшумными», — сказал Бурсак. «Но когда мы добавляем бактериальный канал, мы можем поддерживать их передачу электрических сигналов в более жестких условиях».Нгуен добавляет, что эта работа способствует растущему количеству исследований, которые обращаются к так называемым «примитивным» организмам за помощью в нашем собственном здоровье.«Существует большое количество видов бактерий, чьи натриевые каналы могут иметь несколько иные электрические характеристики, чем можно было бы воспользоваться», — сказал Нгуен. «Эти каналы также можно модифицировать, чтобы пропускать ионы кальция. Мы разрабатываем схему, чтобы другие начали изучать эти возможности».
«Я думаю, что эта работа действительно захватывающая, — сказал Бурзак. «Мы в основном заимствуем у бактерий, чтобы в конечном итоге помочь людям, страдающим сердечными или головными заболеваниями».