Fale dźwiękowe są wyświetlane jako oscylujące światło żarowe. natrot/Shutterstock.com

Co by było, gdybyś nie potrzebował operacji, aby wszczepić rozrusznik serca do wadliwego serca? Co by było, gdybyś mógł kontrolować poziom cukru we krwi bez wstrzykiwania insuliny lub złagodzić początek napadu bez naciskania guzika?

ja i zespół naukowców w moje laboratorium na Salk Institute stawiają czoła tym wyzwaniom, opracowując nową technologię znaną jako sonogenetyka, czyli zdolność do nieinwazyjnego kontrolowania aktywności komórek za pomocą dźwięku.

Od światła do dźwięku

jestem neurobiologiem zainteresowanych zrozumieniem, w jaki sposób mózg wykrywa zmiany środowiskowe i reaguje. Neuronaukowcy zawsze szukają sposobów wpływania na neurony w żywych mózgach, abyśmy mogli przeanalizować wyniki i zrozumieć, jak działa ten mózg i jak lepiej leczyć zaburzenia mózgu.

Stworzenie tych specyficznych zmian wymaga opracowania nowych narzędzi. Przez ostatnie dwie dekady głównym narzędziem badaczy w mojej dziedzinie była optogenetyka, technika, w której zmodyfikowane komórki mózgowe zwierząt są kontrolowane za pomocą światła. Proces ten polega na umieszczeniu światłowodu głęboko w mózgu zwierzęcia, aby dostarczyć światło do obszaru docelowego.

Kiedy te komórki nerwowe są wystawione na działanie niebieskiego światła, światłoczułe białko zostaje aktywowane, co pozwala tym komórkom mózgowym komunikować się ze sobą i modyfikować zachowanie zwierzęcia. Na przykład zwierzęta z chorobą Parkinsona mogą być wyleczony z ich mimowolnych drgawek przez świecące światło na komórkach mózgowych, które zostały specjalnie opracowane, dzięki czemu są wrażliwe na światło. Ale oczywistą wadą jest to, że ta procedura polega na chirurgicznym wszczepieniu kabla do mózgu – strategii, której nie można łatwo przełożyć na ludzi.

Moim celem było wymyślenie, jak manipulować mózgiem bez użycia światła.

Kontrola dźwięku

Odkryłam, że ultradźwięki – fale dźwiękowe poza zasięgiem ludzkiego słuchu, które są nieinwazyjne i bezpieczne – to świetny sposób na kontrolowanie komórek. Ponieważ dźwięk jest formą energii mechanicznej, doszedłem do wniosku, że jeśli komórki mózgowe można by uczynić mechanicznie wrażliwymi, to moglibyśmy je modyfikować za pomocą ultradźwięków. Te badania doprowadziły nas do odkrycia pierwszy naturalnie występujący mechaniczny detektor białek które uczyniły komórki mózgowe wrażliwymi na ultradźwięki.

Nasza technologia działa dwuetapowo. Najpierw wprowadzamy nowy materiał genetyczny do nieprawidłowo działających komórek mózgowych za pomocą wirusa jako urządzenia dostarczającego. Zapewnia to tym komórkom instrukcje tworzenia białek reagujących na ultradźwięki.

Następnym krokiem jest emitowanie impulsów ultradźwiękowych z urządzenia znajdującego się poza ciałem zwierzęcia, które celują w komórki z białkami wrażliwymi na dźwięk. Impuls ultradźwiękowy zdalnie aktywuje komórki.

Zakresy częstotliwości dźwięku dla infradźwięków, fal dźwiękowych i ultradźwiękowych oraz zwierząt, które je słyszą. Ludzie są w stanie słyszeć tylko od 20 Hz do 20,000 XNUMX Hz. Designua/Shutterstock.com

Dowód w robakach

Jako pierwsi pokazaliśmy jak sonogenetyka może być wykorzystana do aktywacji neuronów w mikroskopijnym robaku zwanym Caenorhabditis elegans.

Korzystając z technik genetycznych, zidentyfikowaliśmy naturalnie występujące białko o nazwie TRP-4 – które jest obecne w niektórych neuronach robaka – które jest wrażliwe na zmiany ciśnienia ultradźwiękowego. Fale ciśnienia akustycznego, które występują w zakresie ultradźwiękowym, są powyżej normalnego progu dla ludzkiego słuchu. Niektóre zwierzęta, w tym nietoperze, wieloryby, a nawet ćmy, mogą komunikować się na tych częstotliwościach ultradźwiękowych, ale częstotliwości używane w naszych eksperymentach wykraczają poza to, co potrafią wykryć nawet te zwierzęta.

Mój zespół i ja wykazaliśmy, że neurony z białkiem TRP-4 są wrażliwe na częstotliwości ultradźwiękowe. Fale dźwiękowe o tych częstotliwościach zmieniły zachowanie robaka. Genetycznie zmieniliśmy dwa z 302 neuronów robaka i dodaliśmy gen TRP-4, który: wiedzieliśmy z poprzednich badań zajmował się mechanosensacją.

Pokazaliśmy, jak impulsy ultradźwiękowe mogą sprawić, że robaki zmienią kierunek, tak jakbyśmy używali pilota robaka. Te obserwacje dowiodły, że możemy użyć ultradźwięków jako narzędzia do badania funkcji mózgu żywych zwierząt bez wkładania czegokolwiek do mózgu.

Wysłanie impulsu ultradźwiękowego do robaka przenoszącego wrażliwe na dźwięk białka powoduje zmianę kierunku:

{vembed Y=vLOqvBG6x-E}

Zalety sonogenetyki

To początkowe odkrycie oznaczało narodziny nowej techniki, która daje wgląd w to, jak komórki mogą być pobudzane dźwiękiem. Ponadto uważam, że nasze wyniki sugerują, że sonogenetykę można zastosować do manipulowania wieloma różnymi typami komórek i funkcjami komórkowymi.

C. elegans był dobrym punktem wyjścia do opracowania tej technologii, ponieważ zwierzę jest stosunkowo proste, ma tylko 302 neurony. Spośród nich TRP-4 występuje tylko w ośmiu neuronach. Możemy więc kontrolować inne neurony, najpierw dodając do nich TRP-4, a następnie kierując ultradźwięki dokładnie na te konkretne neurony.

Ale ludzie, w przeciwieństwie do robaków, nie mają genu TRP-4. Więc moim planem jest wprowadzenie wrażliwego na dźwięk białka do konkretnych ludzkich komórek, które chcemy kontrolować. Zaletą tego podejścia jest to, że ultradźwięki nie będą ingerować w żadne inne komórki w ludzkim ciele.

Obecnie nie wiadomo, czy białka inne niż TRP-4 są wrażliwe na ultradźwięki. Identyfikacja takich białek, jeśli istnieją, jest obszarem intensywnych badań w moim laboratorium i w terenie.

Najlepsze w sonogenetyce jest to, że nie wymaga implantu mózgowego. W sonogenetyce używamy sztucznie zmodyfikowanych wirusów – które nie są zdolne do replikacji – aby dostarczyć materiał genetyczny do komórek mózgowych. Pozwala to komórkom na wytwarzanie białek wrażliwych na dźwięk. Ta metoda została wykorzystana do dostarczyć materiał genetyczny do ludzkiej krwi i komórki mięśnia sercowego u świń.

Sonogenetyka, choć wciąż na bardzo wczesnym etapie rozwoju, oferuje nową strategię terapeutyczną dla różnych zaburzeń związanych z ruchem, w tym choroby Parkinsona, padaczki i dyskinezy. We wszystkich tych chorobach niektóre komórki mózgowe przestają działać i uniemożliwiają normalne ruchy. Sonogenetics może umożliwić lekarzom włączanie lub wyłączanie komórek mózgowych w określonym miejscu lub czasie i leczenie tych zaburzeń ruchu bez operacji mózgu.

Aby to zadziałało, docelowy region mózgu musiałby zostać zainfekowany wirusem niosącym geny odpowiedzialnego za dźwięk. Dokonano tego u myszy, ale jeszcze nie u ludzi. Terapia genowa staje się coraz lepsza i bardziej precyzyjna i mam nadzieję, że inni badacze zrozumieją, jak to zrobić, zanim będziemy gotowi z naszą technologią sonogenetyczną.

Rozszerzenie sonogenetyki

Otrzymaliśmy wsparcie merytoryczne aby rozwijać tę technologię, napędzać wstępne badania i tworzyć interdyscyplinarny zespół.

Z dodatkowym finansowaniem z Agencji Obronnych Zaawansowanych Projektów Badawczych Program ElectRx, możemy skupić się na znalezieniu białek, które pomogą nam „wyłączyć” neurony. Niedawno odkryliśmy białka, którymi można manipulować, aby aktywować neurony (praca niepublikowana). Ma to kluczowe znaczenie dla opracowania strategii terapeutycznej, którą można zastosować w leczeniu chorób ośrodkowego układu nerwowego, takich jak choroba Parkinsona.

Dotykanie liścia Mimosa pudica wywołuje reakcję składania, która powoduje, że liście się zamykają. Roślina jest również wrażliwa na ultradźwięki, które mogą wywołać tę samą reakcję:

{vembed Y=7lP35rsQu8c}

Nasz zespół pracuje również nad rozwojem technologii sonogenetycznej. Zaobserwowaliśmy teraz, że niektóre rośliny, takie jak „nie dotykaj mnie” (Mimosa pudica), są wrażliwe na ultradźwięki. Tak jak wiadomo, że liście tej rośliny zapadają się i zwijają do wewnątrz po dotknięciu lub potrząśnięciu, zastosowanie impulsów ultradźwiękowych do izolowanej gałęzi wywołuje tę samą reakcję. Wreszcie opracowujemy inną metodę sprawdzania, czy ultradźwięki mogą wpływać na procesy metaboliczne, takie jak wydzielanie insuliny z komórek trzustki.

Sonogenetyka może pewnego dnia obejść leki, wyeliminować potrzebę inwazyjnych operacji mózgu i być przydatna w stanach od stresu pourazowego i zaburzeń ruchu po przewlekły ból. Ogromny potencjał sonogenetyki polega na tym, że tę technologię można zastosować do kontrolowania niemal każdego rodzaju komórki: od komórki produkującej insulinę w trzustce po stymulację serca.

Mamy nadzieję, że sonogenetyka zrewolucjonizuje dziedziny neuronauki i medycyny.

O autorze

Sreekantha Chalasaniego, profesor nadzwyczajny neurobiologii molekularnej (Salk Institute) i adiunkt neurobiologii, University of California San Diego

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.