La Magnétogénétique (Traduction de la Fiche Wikipédia en Anglais)

   Cet article est à mettre en relation avec ces deux autres articles de mon blog:

‎Un Vaccin Covid aux Nanoparticules de Ferritine, Plus Puissant contre les Variants de Covid-19

La Magnétogénétique: une Technologie pour Activer les Neurones à Distance et le Métal Contenu dans les Vaccins…‎

   La magnétogénétique fait référence à une technique biologique qui implique l’utilisation de champs magnétiques pour contrôler à distance l’activité cellulaire.

   Dans la plupart des cas, la stimulation magnétique se transforme soit en force (génétique magnéto-mécanique) soit en chaleur (génétique magnéto-thermique), qui dépend du champ magnétique appliqué. Par conséquent, les cellules sont généralement génétiquement modifiées pour exprimer des canaux ioniques qui sont soit mécaniquement ou thermiquement ouverts. En tant que tel, la magnétogénétique est une méthode de modulation cellulaire qui utilise une combinaison de techniques du magnétisme et de la génétique pour contrôler les activités des cellules individuelles dans les tissus vivants – même chez les animaux ayant une liberté de mouvement totale. Cette technique est comparable à l’optogénétique, qui est la manipulation du comportement cellulaire en utilisant la lumière. En magnétogénétique, la stimulation magnétique est utilisée au lieu de celle produite par la lumière, une caractéristique qui permet une modulation moins invasive, moins toxique et sans fil de l’activité cellulaire.

   Le contrôle de l’activité cellulaire est réalisé à l’aide de composés magnétiques tels que la ferritine ou les nanoparticules magnétiques. Ces composés sont conçus pour se relier aux canaux ioniques qui sont génétiquement exprimés sur des cellules spécifiques. Le contrôle de l’activité est donc limité aux cellules génétiquement prédéfines et effectué d’une manière spatiotemporale spécifique par stimulation magnétique.

Histoire

   Le développement de technologies génétiques qui peuvent moduler les processus cellulaires a grandement contribué à la recherche biologique. Un exemple représentatif est le développement de l’optogénétique, qui est une trousse d’outils de neuromodulation qui implique des protéines sensibles à la lumière telles que les opsines. Ces progrès ont fourni les bases d’une percée dans le lien entre la relation causale entre l’activité neuronale et les résultats comportementaux.

  La principale force des trousses d’outils génétiques utilisées dans la neuromodulation est qu’ils peuvent fournir soit spatialement ou temporellement, ou les deux, une modulation précise du système nerveux du cerveau. À ce jour, plusieurs technologies ont été adaptées au moyen de la génétique (optogénétique, chimiogénétique,etc.), et chaque technologie a des forces et des limites. Par exemple, l’optogénétique a des avantages en ce sens qu’elle peut fournir une manipulation temporelle et spatialement précise des neurones. D’autre part, elle implique une stimulation légère, qui ne peut pas pénétrer efficacement les tissus et nécessite des dispositifs optiques implantés, limitant ses applications pour les études in vivo sur les animaux vivants

   Les techniques qui reposent sur le contrôle magnétique des processus cellulaires sont relativement nouvelles. Cette technique peut fournir une approche qui ne nécessite pas l’implantation d’électrodes invasives ou de dispositifs optiques. Cette méthode permettra la pénétration dans la région la plus profonde du cerveau, et peut avoir une réponse de latence plus faible. ^[1] En 1980, Young et ses collègues ont démontré que les champs magnétiques avec des magnitudes dans la gamme millitesla sont capables de pénétrer dans le cerveau sans que le signal soit atténué et sans effets secondaires en raison de la susceptibilité magnétique négligeable et la faible conductivité des tissus biologiques. Des essais précoces pour essayer de manipuler les signaux électriques dans le cerveau au moyen de champs magnétiques ont été réalisés par  Baker et coll., et cette même équipe a plus tard mis au point des dispositifs de stimulation magnétique transcrânienne (SMT) en 1985 [2].

 Pour appliquer la magnétogénétique dans la recherche biologique et neuroscientifique, la fusion des récepteurs de classe TRPV avec une protéine paramagnétique (typiquement ferritine) a été suggérée. Ces protéines paramagnétiques, qui contiennent généralement du fer ou ont des cofacteurs contenant du fer, sont ensuite stimulées magnétiquement. Comment cette technique peut moduler l’activité neuronale demeure incertain, mais on pense que les canaux ioniques sont activés et ouverts soit par la force mécanique exercée par les protéines paramagnétiques, soit par le réchauffement de ceux-ci au moyen de la stimulation magnétique. Cependant, l´utilisation de protéines paramagnétiques comme transducteur pour champ magnétique au moyen de stimulis mécaniques ou de température est controversée.

   D’autre part, des nanoparticules ont été suggérées comme candidats possibles pouvant réaliser la fonction de transducteur du champ magnétique en signal de stimulus. Sur la base de ce concept, la prochaine génération de techniques de magnétogénétique est en cours de développement. En 2010, Arnd Pralle et ses collèges ont fait la démonstration de la première stimulation magnéto-thermique in vivo du canal ion sensible à la chaleur TRPV1 qui utilise des nanoparticules magnétiques comme transducteur dans C. elegans. ^En 2015, le groupe de recherche de Polina Anikeeva a démontré qu´un concept similaire peut améliorer les signaux neuronaux dans le cerveau des mammifères. ^En 2021, le groupe de recherche de Jinwoo Cheon a développé avec succès la génétique magnéto-mécanique qui utilise la stimulation magnétique dérivée de la force mécanique chez les mammifères. ^[5] Dans cette étude, un torque magnétique aux champs magnétiques rotatifs a été employé pour activer le canal méchanosensible  cation Piezo1. Les résultats de cette étude montrent que la manipulation à distance et in vivo du comportement des souris peut être effectuée à l’aide de magnétogénétique.

 

Technique

   Il existe de nombreuses façons d’utiliser la magnétogénétique dans la recherche scientifique. L’un des principaux défis de la magnétogénétique est d’introduire le composant magnétique dans un système spécifique (c.-à-d. protéines ou cellules) ou des régions précises (p. ex. région du cerveau de souris) de l’organisme en question. Une approche consiste à synthétiser la protéine de fusion des canaux ioniques avec du fer contenant des protéines telles que les ferritines pour synthétiser la composante magnétique dans le système biologique lui-même (c´est-à-dire les neurones). Une autre méthode consiste à utiliser des nanoparticules magnétiques telles que l’oxyde de fer, synthétisés en dehors des biosystèmes, et à concevoir la particule de sorte qu’elle se lie spécifiquement aux canaux ioniques ciblés.

   La manière de fonctionner de la magnétogénétique peut être classé par la façon dont la stimulation magnétique est induite pour activer les systèmes biologiques, tels que les canaux ioniques. L’activation par la chaleur (génétique magnéto-thermique) et l’activation par la force induite (génétique magnéto-mécanique) sont deux catégories  principales de magnétogénétique. Dans la génétique magnéto-mécanique, la force de traction (p. ex. pinces magnétiques) et la force du torque sont couramment utilisées pour ouvrir mécaniquement les canaux ioniques dans les cellules et dans les neurones.

Activation par la chaleur

   Les nanocomposites superparamagnétiques génèrent de l’énergie thermique sous des champs magnétiques alternes. Ce processus est étroitement lié à la théorie de relaxation de Neel de l’énergie magnétique. La chaleur générée par les nanocomposites magnétiques est généralement utilisée pour l’hyperthermie magnétique. En magnétogénétique, l’augmentation de la température causée par les nanocomposites magnétiques active les neurones génétiquement modifiés en ouvrant les canaux ioniques thermosensible (p. ex. TRPV1).

Activation par la force induite

Force de traction

   Dans le champ magnétique de gradient, les objets magnétiques sont attirés vers la région du champ magnétique avec une force magnétique relativement plus forte. La force de cette traction magnétique dépend de l’équation de la force entre les aimants. Cette force emprisonne les biomolécules de la membrane cellulaire pour créer des foyers de protéines ou modifie la conformation des protéines qui déclenchent la cascade de signalisation cellulaire. ^[6][7]

Torque

   Lorsque l’axe de magnétisation des particules magnétiques n’est pas aligné avec le champ magnétique externe, les particules magnétiques continueront involontairement à tourner pour s’aligner sur l’axe. Ce mouvement rotatif est à l’origine du torque magnétique. Le torque des particules magnétiques est proportionnel au moment magnétique des particules et des champs magnétiques externes. Les particules magnétiques qui sont liées aux protéines cibles génèrent des mouvements rotatifs dans le champ magnétique rotatif ou alternatif, induisant la signalisation cellulaire désirée ou l´ouverture du canal ionique de canaux ioniques mécanosensibles tels que Piezo1.

 

Problèmes

Limitation physique de la ferritine

   Un des principaux problèmes en magnétogénétique est lié aux propriétés physiques de la ferritine. La ferritine est composée de 24 sous-unités de complexe protéique et d’un petit noyau d’oxyde de fer. Le noyau de la ferritine est sous forme d’hydroxyde ferrique qui a des propriétés antiferromagnétique. Certains chercheurs ont rapporté que la ferritine possède magnétisation rémanente du fait de ses défauts intrinsèques et impuretés. [9] Cependant, même avec des calculs optimistes, l’énergie d’interaction magnétique pour la production de chaleur ou de force est de plusieurs magnitudes en-dessous de l’énergie thermique de fluctuation. Récemment, d’autres chercheurs ont émis l’hypothèse qu’il existe d’autres mécanismes possibles pour activer les canaux ioniques, mais ces études restent peu concluantes.

Efforts pour surmonter les limites physiques

   Il y a eu des tentatives pour surmonter les limites physiques intrinsèques de la ferritine. Une approche est l’utilisation de nanoparticules magnétiques qui sont composées de moments magnétiques élevées comme Fe₃O₄. Les nanoparticules magnétiques d’oxyde de fer peuvent générer suffisamment de chaleur ou de force avec une nanoingénierie appropriée comme l’accordage des composites, des atomes ou des structures dopantes. [10] Une autre tentative implique l’utilisation de la structure hiérarchique plus élevée des nanocomposites. Les chercheurs ont assemblé les nanocomposites tels que les nanoparticules d’oxyde de fer ou les protéines de stockage du fer pour faire des architectures avec des moments magnétiques plus élevées. ^[11]

 

application

   Le domaine de la magnétogénétique est un domaine de recherche relativement nouveau qui a la possibilité de faire avancer la compréhension scientifique de la façon dont des cellules et des gènes spécifiques contribuent à la fonction des tissus biologiques tels que les circuits neuronaux in vivo. Il a également un grand potentiel pour les applications cliniques puisque de nombreux outils médicaux tels que l’IRM, et TMS utilisent déjà des champs magnétiques sur les patients.

Télécommande de la transcription des gènes

   Les techniques magnétogénétiques impliquent des récepteurs de classe TRPV, qui sont des transporteurs sélectifs de calcium, avec des nanoparticules magnétiques ou des protéines paramagnétiques (généralement la ferritine). [12][13] L’utilisation des nanoparticules magnétiques ou des protéines paramagnétiques chauffées par un champ magnétique alternatif peut stimuler le canal ionique TRPV1 sensible à la température. Lorsque la température locale augmente, TRPV1 induit Ca²⁺ à initier la synthèse et la libération de l’insuline créée par bioingénierie, entraîné par un promoteur sensible à Ca^2+. Cette méthode de régulation à distance de la transcription génique peut être appliquée à la recherche fondamentale et peut constituer une approche thérapeutique potentielle pour la thérapie génique.

Contrôle sans fil de l’activité neuronale

En présence d’un champ magnétique,

les protéines paramagnétiques ouvrent thermiquement ou mécaniquement les canaux ioniques dans une neurone,

facilitant la libre circulation des ions compatibles et activant la neurone.

   Les techniques magnétogénétiques actuellement disponibles combinent la livraison ciblée de particules magnétiques avec la stimulation magnétique. Cela permet le contrôle spatial précis de l’intervention ciblée (c.-à-d. inhibition ou excitation des neurones cibles dans les régions cérébrales cibles). La précision temporelle semble varier en fonction du seuil des canaux ioniques, de la fréquence et de l’intensité de la stimulation. Des expériences peuvent être conçues où la stimulation magnétique déclenche une sorte de réponse cellulaire (in vitro) ou comportementale ( in vivo).

Cortex moteur^[14]

   La magnétogénétique, le comportement librement mobile des mammifères et l’immunohistochimie ont été intégrées pour étudier l’efficacité et la validité de la magnétogénétique en tant qu’outil neuroscientifique. L’activation magnétogénétique du cortex moteur de souris s’est montrée efficace en induisant des changements locomoteurs chez les souris librement mobiles. La magnétogénétique induite par torque est une nouvelle trousse d’outils établie par Lee et ses collègues qui peut transduire la stimulation magnétique en torque mécanique pour une neuromodulation non attaché à longue distance. Dans cette étude, les scientifiques ont incorporé Piezo1, un canal de cation mécanosensible pour doter les neurones de mécanosensibilité. Piezo1 est génétiquement exprimé dans le cortex moteur par injection virale. Après l’expression de ce canal ionique, des nanocomposites magnétiques sont injectés au même endroit. Les nanoparticules génèrent et livrent le torque au canal ionique Piezo1 afin de stimuler des neurones spécifiques. Les signaux électriques se propagent à travers le réseau neuronal et modifient le comportement des animaux vivants.

 

références

1. ^ Roet M, Hescham SA, Jahanshahi A, Rutten BP, Anikeeva PO, Temel Y (June 2019). « Progrès dans la neuromodulation du cerveau: Un rôle pour les nanoparticules magnétiques? ». Progrès en neurobiologie. 177: 1-14. doi:10.1016/j.pneurobio.2019.03.002. PMID30878723.
2. ^ Young JH, Wang MT, Brezovich IA (1980-05-09). « Considérations de fréquence/pénétration de profondeur dans l’hyperthermie par des courants magnétiquement induits ». Lettres électroniques. 16(10): 358-359. doi:10.1049/el:19800255. ISSN 1350-911X.
3. ^ Huang, Heng; Delikanli, Savas; Zeng, Hao; Ferkey, Denise M.; Pralle, Arnd (août 2010). « Télécommande des canaux irionaux et des neurones grâce au chauffage par champ magnétique des nanoparticules ». Nature Nanotechnologie. 5 (8): 602-606. doi:10.1038/nnano.2010.125. ISSN 1748-3387. PMID20581833.
4. ^ Chen R, Romero G, Christiansen MG, Mohr A, Anikeeva P (mars 2015). « Stimulation cérébrale profonde magnétothermale sans fil ». La science. 347(6229): 1477-80. doi:10.1126/science.1261821. hdl:1721.1/96011. PMID 25765068.
5. ^ Lee, Jung-uk; Shin, Wookjin; Lim, Yongjun; Kim, Jungsil; Kim, Woon Ryoung; Kim, Heehun; Lee, Jae-Hyun; Cheon, Jinwoo (2021-01-28). « Stimulation magnétique à longue portée sans contact des canaux iion mécanosensibles chez les animaux en mouvement libre ». Matériaux naturels. doi:10.1038/s41563-020-00896-y. ISSN 1476-1122. PMID 33510447.
6. ^ Seo D, Southard KM, Kim JW, Lee HJ, Farlow J, Lee JU, et coll. (juin 2016). « Une boîte à outils mécanogénétique pour interroger la signalisation cellulaire dans l’espace et le temps ». Cellule. 165 (6): 1507-1518. doi:10.1016/j.cell.2016.04.045. PMC4892966. PMID 27180907.
7. ^ Kim JW, Seo D, Lee JU, Southard KM, Lim Y, Kim D, et coll. (septembre 2017). « Mécanogénétique unicellule utilisant des nanoparticules magnétoplasmoniques monovalentes ». Protocoles nature. 12 (9): 1871-1889. doi:10.1038/nprot.2017.071. PMC 5742362. PMID28817122.
8. ^ Meister M (août 2016). « Limites physiques à la magnétogénétique ». eLife. 5: e17210. doi:10.7554/eLife.17210. PMC 5016093. PMID27529126.
9. ^ Jutz G, van Rijn P, Santos Miranda B, Böker A (février 2015). « Ferritin: un bloc de construction polyvalent pour la bionanotechnologie ». Revues chimiques. 115(4): 1653-701. doi:10.1021/cr400011b. PMID25683244.
10. ^ Jun YW, Lee JH, Cheon J (2008-06-27). « Conception chimique de sondes de nanoparticules pour l’imagerie par résonance magnétique haute performance ». Angewandte Chemie. 47 (28): 5122-35. doi:10.1002/anie.200701674. PMID 18574805.
11. ^ Li TL, Wang Z, You H, Ong Q, Varanasi VJ, Dong M, et coll. (octobre 2019). « Engineering a Genetically Encoded Magnetic Protein Crystal ». Nano Lettres. 19(10): 6955-6963. doi:10.1021/acs.nanolett.9b02266. PMC 7265822. PMID 31552740.
12. ^ Stanley SA, Gagner JE, Damanpour S, Yoshida M, Dordick JS, Friedman JM (mai 2012). « Le chauffage par ondes radio des nanoparticules d’oxyde de fer peut réguler le glucose plasmatique chez la souris ». La science. 336 (6081): 604-8. doi:10.1126/science.1216753. PMC 3646550. PMID22556257.
13. ^ Stanley SA, Sauer J, Kane RS, Dordick JS, Friedman JM (janvier 2015). « Régulation à distance de l’homéostasie du glucose chez la souris à l’aide de nanoparticules génétiquement codées ». Médecine de la nature. 21(1): 92-98. doi:10.1038/nm.3730. PMC 4894538. PMID 25501906.
14. ^ Lee, Jung-uk; Shin, Wookjin; Lim, Yongjun; Kim, Jungsil; Kim, Woon Ryoung; Kim, Heehun; Lee, Jae-Hyun; Cheon, Jinwoo (2021-01-28). « Stimulation magnétique à longue portée sans contact des canaux iion mécanosensibles chez les animaux en mouvement libre ». Matériaux naturels. doi:10.1038/s41563-020-00896-y. ISSN 1476-1122. PMID 33510447.

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