En genkontakt, der kan fjernstyres med elektromagnetiske felter

Forskerne placerede Lgr4-sekvensen foran såkaldte reportergener, blandt andet genet for grønt fluorescerende protein, GFP. I genetisk modificerede rapportermus kunne elektromagnetisk stimulering aktivere signalet i hele kroppen. Når feltet blev rettet mod et bestemt anatomisk område, opstod der i stedet lokal aktivitet i udvalgte organer. Da stimuleringen ophørte, faldt aktiviteten ifølge de rapporterede forsøg tilbage mod udgangspunktet inden for cirka 24 timer.

Ei fungerer derfor mere som en justerbar biologisk kontakt end som en permanent tænd/sluk-knap. Den genetiske kassette bliver i kroppen, men dens output kan øges eller dæmpes ved at ændre, om det eksterne felt er aktivt.

Hvilken rolle spiller Cyb5b og calcium-svingninger?

At finde en elektromagnetisk følsom promoter – det DNA-område, der regulerer, hvornår et gen aktiveres – forklarede ikke i sig selv, hvordan et elektromagnetisk felt kan føre til regulering på DNA-niveau. For at undersøge forbindelsen brugte forskerne en genomdækkende CRISPR-Cas9-screening, hvor gener systematisk slås fra for at se, hvilke der er nødvendige for en bestemt respons.

Screeningen identificerede cytochrom b5 type B, Cyb5b, som en nødvendig formidler af responsen og en mulig del af cellens elektromagnetiske sansningssystem.

Opfølgende forsøg forbandt elektromagnetisk stimulering med et særligt mønster af rytmiske calciumændringer i cellerne. Ifølge studiet afhænger aktiveringen af Ei af svingende calcium-signaler og ikke blot af en uspecifik tilstrømning af calcium. Signalerne ser ud til at forbinde det første elektromagnetiske input med aktivering af Ei-elementet og dermed det valgte gen. Cyb5b er derfor en stærk kandidat til at være sensor eller mellemled, men hele kæden fra fysisk felt til genaktivering er endnu ikke endeligt kortlagt.

Forenklet ser den foreslåede mekanisme sådan ud:

Eksternt elektromagnetisk felt → Cyb5b-afhængig signalering → rytmiske calcium-svingninger → aktivering af Ei-promoteren → aktivering af målgenet

Fordelen ved denne opbygning er, at det samme kontrolsystem i princippet kan kobles til forskellige genetiske ”lastpakker”. Feltet er inputtet, mens det valgte gen er outputtet.

Hvad viste forsøgene i mus?

En mere kontrollerbar model af Alzheimers sygdom

Forskerne brugte Ei til at styre sygdomsrelateret genaktivitet i mus. Det gjorde det muligt at adskille nogle af kendetegnene ved aldring i hjernen fra ophobningen af amyloid-beta-plak – to processer, der ofte udvikler sig samtidig i traditionelle sygdomsmodeller. Resultatet kan gøre det lettere at studere sygdommens tidsforløb mere præcist.

Forsøget viser dog ikke, at Ei behandler Alzheimers sygdom.

Delvis omprogrammering af aldrende celler

Forskerne placerede også et omprogrammeringsprogram med Oct4, Sox2 og Klf4, forkortet OSK, under Ei-kontrollens herredømme. Gentagen elektromagnetisk stimulering i gamle mus og mus med accelereret aldring forbedrede flere af de målte markører, der forbindes med aldring.

Forskerne rapporterede ingen påviselige skadelige effekter under de konkrete forsøgsbetingelser. Det er imidlertid ikke det samme som dokumentation for langtidssikkerhed, varig foryngelse eller klinisk effekt hos mennesker.

Delvis omprogrammering kræver især præcis kontrol med dosis og timing. For lidt aktivitet kan være uden effekt, mens ukontrolleret eller langvarig aktivitet kan skabe uønskede celleforandringer. En kontakt, der kan slukkes, kan derfor være værdifuld – men den fjerner ikke risikoen ved selve genproduktet eller leveringssystemet.

Serotonin og depressionslignende adfærd

I et tredje forsøg styrede forskerne genet Tph2, som indgår i dannelsen af serotonin. Når systemet blev aktiveret, blev serotoninniveauerne genoprettet, og musene udviste færre depressionslignende adfærdsmønstre.

Det er prækliniske resultater fra adfærdsforsøg i mus – ikke dokumentation for, at teknologien virker som behandling mod depression hos mennesker.

Hvorfor kan fjernstyring af gener blive vigtig?

Mange genterapier er designet til at levere en genetisk instruktion, der forbliver aktiv i lang tid. Det kan være en fordel, men det gør doseringen vanskelig, hvis genet udtrykkes for kraftigt, for svagt eller i det forkerte væv.

Ei peger mod en anden model: Den genetiske kassette leveres én gang, hvorefter aktiviteten reguleres med et eksternt fysisk signal.

Mulige fordele er blandt andet:

• Adgang til dybere væv uden operation: Lavfrekvente elektromagnetiske felter kan nå ind i kroppen uden det implanterede optiske udstyr, som mange lysstyrede systemer kræver.
• Bedre tidsstyring: Genaktiviteten kan i princippet planlægges i pulser eller behandlingsforløb i stedet for at være fastlåst efter leveringen.
• En praktisk sluk-funktion: Når feltet fjernes, kan genaktiviteten falde. Selve den genetiske kassette bliver dog i kroppen.
• Fleksibilitet: Den samme kontrolsekvens kan forbindes med forskellige gener, som vist med GFP, OSK og Tph2.

På længere sigt kunne man forestille sig en lægestyret feltgenerator eller måske et valideret bærbart apparat, der justerer genaktiviteten efter behandlingen. Det er en mulig klinisk konsekvens – ikke noget, der er demonstreret i patienter.

Begrænsningerne er betydelige

Forsøgene er kun udført i mus

De rapporterede forsøg er prækliniske og udført i mus. Leveringseffektivitet, immunreaktioner, feltets gennemtrængning, anatomisk målretning og genaktivitetens varighed kan se helt anderledes ud i større dyr og mennesker. Før klinisk anvendelse vil metoden skulle undersøges i relevante dyremodeller, væv og leveringssystemer.

Organmålretning er ikke det samme som cellemålretning

Et fokuseret felt kan begrænse aktiveringen til en bestemt anatomisk region. Det sikrer dog ikke automatisk, at genet kun aktiveres i én bestemt celletype i området. Hvis der kræves præcision på celleniveau, vil der fortsat være behov for cellespecifikke promotere, vektorer eller leveringsmetoder.

Mekanismen er ikke endeligt fastlagt

Cyb5b var nødvendig i CRISPR-screeningen, og calcium-svingninger var forbundet med aktiveringen. Det beviser dog ikke alle trin mellem et felt på 60 hertz og 2,0 millitesla og den specifikke transkription ved Ei-promoteren. Uafhængige gentagelser og mere detaljerede mekanistiske studier bliver afgørende.

Reversibilitet tager tid

Det tog cirka et døgn for reportergenets aktivitet at bevæge sig tilbage mod udgangspunktet – ikke millisekunder. Det kan være tilstrækkeligt til nogle biologiske programmer, men det er ikke en øjeblikkelig nødbremse. Terapeutiske proteiner kan desuden forblive aktive, efter at genets transkription er faldet, og reaktionstiden kan variere med væv, alder, sygdomstilstand og antallet af vektorkopier.

Kontakten fjerner ikke de almindelige risici ved genterapi

Ei kan gøre genaktivitet mere kontrollerbar, men fjerner ikke risici ved den underliggende leveringsplatform. Afhængigt af hvordan kassetten indføres, kan det blandt andet dreje sig om immunreaktioner, integrationsrelaterede risici og manglende mulighed for fysisk at fjerne det genetiske materiale.

Langtidsforsøg skal også undersøge gentagen elektromagnetisk eksponering, utilsigtede effekter på genaktivitet, opvarmning af væv, mulig påvirkning af kønsceller og de særlige risici ved den valgte genpakke – for eksempel risikoen for tumorudvikling ved delvis omprogrammering.

Publikationshistorikken indeholder desuden en erratum, altså en rettelse knyttet til Cell-artiklen. Vurderinger af mekanismen og eventuelle kliniske konsekvenser bør derfor tage udgangspunkt i den korrigerede version og i uafhængige gentagelser af resultaterne.

Hvad skal der ske, før mennesker kan få behandlingen?

Den mest realistiske anvendelse på kort sigt er som forskningsværktøj til at styre sygdomsmodeller og undersøge genaktivitet på bestemte tidspunkter. En egentlig behandling kræver langt mere end at vise, at et elektromagnetisk felt kan aktivere en promoter i mus.

De næste vigtige skridt omfatter blandt andet:

• langtidsforsøg i større dyr,
• undersøgelser af fordeling i kroppen og immunreaktioner,
• studier af kronisk og gentagen eksponering,
• uafhængig bekræftelse af Cyb5b-mekanismen,
• mere præcise målinger af sammenhængen mellem felt, dosis og genprodukt,
• overvågning, der kan vise, hvor meget terapeutisk produkt der faktisk dannes,
• samt fejlsikre funktioner og sikkerhedsstandarder for den feltgenererende enhed.

Den bredere betydning er et muligt skifte fra engangs-genterapi med fast genaktivitet til eksternt justerbar genterapi. Ei er en tidlig demonstration af denne idé – ikke dens kliniske gennembrud. Den stærkeste konklusion lige nu er, at Dongguks system udgør et lovende musebevis på fjernstyret og delvist reversibel genregulering, mens sikkerheden, præcisionen og pålideligheden ved behandling af mennesker fortsat er åbne spørgsmål.