Учёные научились редактировать гены в точно заданных местах глубоко в мозге и теле без инвазивных операций и имплантов. Это стало возможным благодаря новой работе исследователей из Института нейронаук Ву Цай (Wu Tsai Neurosciences Institute). Команда продемонстрировала свой метод, сочетающий ультразвук, светящиеся наночастицы и белки для редактирования генов, управляемые светом: ей удалось изменить гены в выбранных участках мозга мышей.
Работа, ставшая очередным шагом в управлении постоянно растущим семейством генных редакторов CRISPR, опубликована в журнале Cell. Её возглавили Госун Хон (Guosong Hong), стипендиат программы Wu Tsai Neuro Faculty Scholar и адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии Стэнфордской школы инженерии, и Майкл Лин (Michael Lin), профессор нейробиологии и биоинженерии Стэнфордской медицинской школы и Стэнфордской школы инженерии.
Ограничения редактирования генов во всём организме
Широко применяемые технологии редактирования генов, такие как CRISPR, которой была посвящена Нобелевская премия по химии 2020 года, дали исследователям инструменты для работы с генами, но у них есть существенные ограничения.
В частности, воздействие на ген с помощью CRISPR обычно означает воздействие на него во всём организме. Это проблема, например, если врачи хотят лечить хроническую боль в одной области, не затрагивая другие. Нацелиться на определённые участки тела можно, но для этого нужны инвазивные методы, например имплантируемые наноскаффолды, которые высвобождают инструменты CRISPR и действуют лишь на небольшое число клеток.
«Биологи придумали, как управлять тем, можно ли редактировать тот или иной ген, — сказал Лин. — Но мы хотели расширить вопрос: не только какой ген можно инактивировать, но и где его можно отредактировать».
Ультразвук доставляет свет вглубь тканей
Свет — мощный способ управлять биологической активностью и изучать её. За последние лет десять учёные научились создавать белки и клеточные процессы, которые можно включать и выключать с помощью освещения. Разработка одной из таких методик, оптогенетики, принесла Нобелевскую премию 2026 года по физиологии и медицине коллеге Лина и Хона по Стэнфорду Карлу Дайссерофу (Karl Deisseroth).
Но есть проблема, будь то оптогенетика или редактирование генов: свет плохо проникает в биологические ткани. Из-за этого до глубоко расположенных мишеней трудно добраться без хирургических имплантов или других инвазивных методов, а исследователи хотели их избежать.
У Хона были идеи, как преодолеть это ограничение. Его группа разработала наночастицы, которые могут циркулировать в кровотоке и светиться под действием сфокусированного ультразвука, проникающего в ткани гораздо глубже, чем свет. Тем временем лаборатория Лина создавала редактор генов CRISPR-Cas9, который можно включать светом.
Около шести лет назад Хон и его аспирант обратились к Лину в поисках способов применить их источник света с дистанционным управлением в генетике. Исследователи поняли, что сочетание их технологий может дать точный контроль над тем, где происходит редактирование генов.
Редакторы поменьше, наночастицы поярче
Но ни одна из технологий в отдельности не подходила для этой задачи. Существовавший светочувствительный редактор Лина был слишком велик, чтобы поместиться в один вирусный вектор — обычный способ доставки молекул для редактирования генов CRISPR в клетки. А наночастицы Хона должны были излучать достаточно света для активации редактора, не требуя ультразвука такой интенсивности, которая могла бы повредить ткани.
Исследователи справились с этими трудностями комплексным подходом. Постдок из группы Лина Дэсун Сон (Daesun Song) разработала гораздо более компактный светочувствительный редактор генов Cas12f, который к тому же был сконструирован так, чтобы эффективнее реагировать на свет. Группа Хона сделала свои наночастицы ярче, что позволило снизить мощность ультразвука, необходимую для активации редактора.
В новой статье исследователи сначала показали, что могут доставить редактор Cas12f, нацеленный на конкретный ген. Затем они фокусировали ультразвук в определённой точке тела, где звуковые волны заставляли расположенные рядом наночастицы излучать свет. Свет включает редактор Cas12f, и тот может воздействовать на целевой ген.
Проверка точности на мозге мышей
Чтобы проверить пространственную точность нового инструмента, команда изучала мышь, которая уже была генетически изменена двумя способами. Одно изменение заставляло ткани светиться, а второе этому препятствовало.
Поэтому только успешное нарушение «стоп-сигнала» приводило к свечению у мыши. Когда исследователи направили ультразвук на одну сторону мозга, эта сторона начала светиться, а другая оставалась тёмной. Это показало, что можно контролировать, в какой области мозга отредактирован ген.
Целенаправленное обезболивание и обратимый контроль
По словам Лина, одно из возможных клинических применений связано с нейропатической болью. Исследования на мышах показывают, что её можно контролировать, подавляя с помощью методов CRISPR гены, связанные с натриевыми ионными каналами. Однако такой подход обычно приводит к онемению всего тела.
Если подавлять эти гены только в той части нервной системы, которая связана с болью, то когда-нибудь исследователи, возможно, смогут обеспечить пациентам более целенаправленное облегчение. Пространственный контроль мог бы также помочь изучать, как гены работают в разных областях мозга.
«Соединив две столь разные, междисциплинарные технологии, мы получили тот случай, когда один плюс один гораздо больше двух», — сказал Хон.
Группа Лина сейчас работает над вариантом метода, который временно активирует или подавляет гены, не изменяя саму ДНК. В то же время группа Хона разрабатывает носимое ультразвуковое устройство, которое позволило бы исследователям управлять генами, пока животное двигается, и наблюдать за влиянием на его поведение.
«Меня вдохновляет возможность того, что исследователи, а надеемся, и будущие клиницисты смогут управлять активностью генов в разных местах in vivo, — говорит Лин. — Думаю, это даёт нам четырёхмерный контроль, которого раньше не было».