Лучшая диагностика здоровья с помощью генетически модифицированных клеток-часовых

Клетки теперь можно генетически запрограммировать на запись своей истории в собственный геном. Это достижение может революционизировать изучение процессов развития и болезней, согласно совместной работе исследователей из нескольких учреждений, включая Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе и Вашингтонский университет в Сиэтле.

Основная проблема в исследованиях — объяснение биологических состояний или процессов через предшествующие события. Клеточные истории включают родственные связи, внешние влияния, внутренние состояния и пространственный контекст во времени.

Методы получения этих историй сталкиваются с ограничениями из-за систематической ошибки отбора, масштабируемости и разрушительной природы некоторых техник измерений. Это позволяет исследователям видеть лишь «снимки» текущего состояния клетки без истории его формирования.

Такие технологии, как сайт-специфичные рекомбиназы, системы CRISPR и другие инструменты редактирования генома, позволяют клеткам записывать информацию в свои геномы. Последние достижения в технологиях одноклеточного и пространственного омикса позволяют извлекать эту записанную информацию.

Доступ к записанным молекулярным и физиологическим состояниям во времени у индивидов предоставил бы богатые наборы данных для ранней диагностики, улучшенного лечения и более информированных решений о здоровье, а также понимания механизмов и причин болезней.

Перспектива «Жизнь клеток, записанная», опубликованная в Nature Reviews Genetics, обсуждает, как недавние достижения в генной инженерии позволяют вести запись на основе ДНК с потенциалом создания модифицированных «клеток-часовых с памятью».

Клетки-часовые можно модифицировать для захвата широкого спектра молекулярных и клеточных биомаркеров, а затем экспрессировать информацию в виде закодированных белков или нуклеиновых кислот, которые можно извлечь из образцов мочи, крови или стула.

Размещая эти клетки в разных участках тела, можно собирать тканеспецифичные данные, включая текущее состояние, внеклеточные биомаркеры и долгосрочные клеточные истории. Это позволяет избежать систематической ошибки отбора клеток, так как репортирующие клетки всегда будут из одной и той же популяции ткани.

В статье предлагается несколько путей и соображений для разработки клеток-часовых:

• Инженерия собственных клеток пациента для минимизации риска иммунного отторжения.
• Генетическое программирование клеток для записи внутренних сигналов в их геномы с помощью инструментов редактирования, таких как системы CRISPR.
• Модификация клеток для производства секретируемых информативных белков или нуклеиновых кислот, обнаруживаемых неинвазивно.
• Включение активируемых малыми молекулами «предохранительных выключателей» для уничтожения клеток-часовых при необходимости.

Исследование предлагает модифицировать клетки-часовые путем генетического изменения аутологичных клеток для записи внутренних молекулярных и физиологических сигналов непосредственно в их геномы с использованием систем записи на основе ДНК, таких как CRISPR. Эти клетки будут находиться по всему телу, непрерывно собирая данные в течение длительного времени. Для неинвазивного извлечения информации клетки будут спроектированы для секреции специфических белков или нуклеиновых кислот, обнаруживаемых в биологических жидкостях.

Путем интеграции программируемых логических схем клетки-часовые смогут анализировать записанные данные для выполнения сложных, контекстно-зависимых ответов, таких как нацеливание на пораженные ткани или модуляция иммунных функций. Для снижения потенциальных рисков могут быть включены механизмы безопасности, например, гены-супрессоры опухолей и цепи самоуничтожения.

Клетки-часовые уже были в некоторой степени созданы. Один пример — модификация бактерий Escherichia coli с использованием химерной системы обратной транскриптазы Cas1–Cas2 для записи их глобальных транскрипционных ответов во время прохождения через кишечник мыши. Анализ образцов фекалий с помощью РНК-секвенирования позволил получить записи и понять адаптацию бактерий к доступности питательных веществ, кислотному стрессу, воспалению и взаимодействию с другими микробами.

Другой пример — система COURIER, где клетки были модифицированы для экспорта РНК-штрихкодов, упакованных в защитные наночастицы. Отбор проб этих экспортированных РНК из культуральной среды позволил проводить долгосрочное отслеживание динамики клонов популяции без уничтожения клеток.

Эти примеры демонстрируют начальные шаги к созданию клеток-часовых, способных записывать и сообщать о молекулярных и физиологических состояниях внутри живых организмов.