Звуковые волны отображаются в виде колеблющегося свечения. natrot / Shutterstock.com
Что если вам не понадобилась операция по установке кардиостимулятора на неисправное сердце? Что делать, если вы можете контролировать уровень сахара в крови без инъекции инсулина или смягчить приступ, даже не нажимая кнопку?
Я и команда ученых в моя лаборатория на Солк институт решают эти проблемы, разрабатывая новую технологию, известную как соногенетика, способность неинвазивно контролировать активность клеток с помощью звука.
От света к звуку
Я нейробиолог интересно понять, как мозг обнаруживает изменения окружающей среды и реагирует на них. Нейробиологи всегда ищут способы воздействия на нейроны в живом мозге, чтобы мы могли проанализировать результат и понять, как работает этот мозг и как лучше лечить его нарушения.
Создание этих конкретных изменений требует разработки новых инструментов. В течение последних двух десятилетий для исследователей в моей области основным инструментом была оптогенетика, техника, в которой инженерные клетки мозга у животных контролируются светом, Этот процесс включает в себя введение оптического волокна глубоко в мозг животного, чтобы доставить свет в целевую область.
Когда эти нервные клетки подвергаются воздействию синего света, активируется светочувствительный белок, позволяющий этим клеткам мозга связываться друг с другом и изменять поведение животного. Например, животные с болезнью Паркинсона могут быть вылечить от их непроизвольных подземных толчков на клетках мозга, которые были специально сконструированы, что делает их светочувствительными. Но очевидным недостатком является то, что эта процедура зависит от хирургического вживления кабеля в мозг - стратегии, которая не может быть легко переведена на людей.
Моей целью было выяснить, как манипулировать мозгом без использования света.
Управление звуком
Я обнаружил, что ультразвук - звуковые волны вне диапазона человеческого слуха, которые неинвазивны и безопасны - это отличный способ контроля клеток. Так как звук является формой механической энергии, я подумал, что если клетки мозга можно сделать механически чувствительными, то мы могли бы модифицировать их с помощью ультразвука. Это исследование привело нас к открытию первый природный белок механический детектор что делало клетки мозга чувствительными к ультразвуку.
Наша технология работает в два этапа. Сначала мы вводим новый генетический материал в неисправные клетки мозга, используя вирус в качестве средства доставки. Это обеспечивает инструкции для этих клеток, чтобы сделать чувствительные к ультразвуку белки.
Следующим шагом является излучение ультразвуковых импульсов от устройства вне тела животного, направленного на клетки с чувствительными к звуку белками. Ультразвуковой импульс дистанционно активирует клетки.
Диапазоны звуковых частот для инфразвуковых, звуковых и ультразвуковых волн и животных, которые могут их слышать. Люди могут слышать только между 20 Hz и 20,000 Hz. Designua / Shutterstock.com
Доказательство в червях
Мы первыми показали, как соногенетика может быть использована для активации нейронов в микроскопическом черве под названием Caenorhabditis Элеганс.
Используя генетические методы, мы идентифицировали встречающийся в природе белок под названием TRP-4, который присутствует в некоторых нейронах червя, который был чувствителен к изменениям ультразвукового давления. Волны звукового давления, возникающие в ультразвуковом диапазоне, превышают нормальный порог человеческого слуха. Некоторые животные, включая летучих мышей, китов и даже моли, могут общаться на этих ультразвуковых частотах, но частоты, используемые в наших экспериментах, выходят за пределы того, что могут обнаружить даже эти животные.
Я и моя команда продемонстрировали, что нейроны с белком TRP-4 чувствительны к ультразвуковым частотам. Звуковые волны на этих частотах изменили поведение червя. Мы генетически изменили два из нейронов 302 червя и добавили ген TRP-4, который мы знали из предыдущих исследований был связан с механосенсацией.
Мы показали, как ультразвуковые импульсы могут заставить червей менять направление, как если бы мы использовали червячный пульт дистанционного управления. Эти наблюдения доказали, что мы можем использовать ультразвук в качестве инструмента для изучения функции мозга у живых животных, не вставляя ничего в мозг.
Посылка ультразвукового импульса червю, несущему чувствительные к звуку белки, заставляет его изменить направление:
{vembed Y = vLOqvBG6x-E}
Преимущества соногенетики
Это первоначальное открытие ознаменовало рождение новой техники, которая предлагает понимание того, как клетки могут быть возбуждены звуком. Кроме того, я полагаю, что наши результаты показывают, что соногенетика может применяться для манипулирования широким разнообразием типов клеток и клеточных функций.
C. Элеганс послужил хорошей отправной точкой для разработки этой технологии, потому что животное относительно простое, только с нейронами 302. Из них TRP-4 содержится только в восьми нейронах. Таким образом, мы можем контролировать другие нейроны, сначала добавив TRP-4 к ним, а затем направив ультразвук точно на эти конкретные нейроны.
Но люди, в отличие от червей, не имеют гена TRP-4. Так что мой план состоит в том, чтобы ввести чувствительный к звуку белок в определенные человеческие клетки, которые мы хотим контролировать. Преимущество этого подхода заключается в том, что ультразвук не будет мешать другим клеткам человеческого организма.
В настоящее время неизвестно, чувствительны ли другие белки, кроме TRP-4, к ультразвуку. Выявление таких белков, если они есть, является областью интенсивного изучения в моей лаборатории и в этой области.
Самое приятное в соногенетике то, что она не требует имплантации мозга. Для соногенетики мы используем искусственно созданные вирусы, которые не могут размножаться, чтобы доставлять генетический материал в клетки мозга. Это позволяет клеткам производить чувствительные к звуку белки. Этот метод был использован для доставить генетический материал в кровь человека и клетки сердечной мышцы у свиней.
Соногенетика, хотя и все еще на очень ранних стадиях развития, предлагает новую терапевтическую стратегию для лечения различных двигательных расстройств, включая паркинсонизм, эпилепсию и дискинезию. При всех этих заболеваниях определенные клетки мозга перестают работать и препятствуют нормальным движениям. Соногенетика может позволить врачам включать или выключать клетки головного мозга в определенном месте или времени и лечить эти двигательные расстройства без операции на головном мозге.
Чтобы это работало, целевой участок мозга должен быть заражен вирусом, несущим гены для чувствительного к звуку белка. Это было сделано на мышах, но еще не на людях. Генная терапия становится все лучше и точнее, и я надеюсь, что другие исследователи выяснят, как это сделать, к тому времени, когда мы будем готовы к нашей соногенной технологии.
Расширение соногенетики
Мы получили существенная поддержка продвигать эту технологию, стимулировать первоначальное исследование и создать междисциплинарную команду.
С дополнительным финансированием от Агентства перспективных исследований в области обороны Программа ElectRxМы можем сосредоточиться на поиске белков, которые могут помочь нам «выключить» нейроны. Недавно мы обнаружили белки, которыми можно манипулировать для активации нейронов (неопубликованная работа). Это имеет решающее значение для разработки терапевтической стратегии, которая может быть использована для лечения заболеваний центральной нервной системы, таких как болезнь Паркинсона.
Прикосновение к листу растения Mimosa pudica вызывает реакцию складывания, которая заставляет листья закрываться. Растение также чувствительно к ультразвуку, который может вызвать такую же реакцию:
{vembed Y = 7lP35rsQu8c}
Наша команда также работает над расширением соногенной технологии. Сейчас мы наблюдали, что некоторые растения, такие как «не трогай меня» (Mimosa pudica), чувствительны к ультразвуку. Как известно, листья этого растения коллапсируют и сгибаются внутрь при прикосновении или встряхивании, применение ультразвукового импульса к изолированной ветви вызывает такую же реакцию. Наконец, мы разрабатываем другой метод для проверки, может ли ультразвук влиять на метаболические процессы, такие как секреция инсулина клетками поджелудочной железы.
Соногенетика может однажды обойти лекарства, устранить необходимость инвазивных операций на головном мозге и быть полезной при состояниях, начиная от посттравматического стрессового расстройства и двигательных расстройств и заканчивая хронической болью. Большой потенциал для соногенетики заключается в том, что эта технология может применяться для контроля практически любого типа клеток: от инсулин-продуцирующих клеток поджелудочной железы до стимуляции сердца.
Мы надеемся, что соногенетика революционизирует области неврологии и медицины.
Об авторе
Срикант ЧаласаниДоцент кафедры молекулярной нейробиологии (Институт Солка) и доцент кафедры нейробиологии, Университета Калифорнии в Сан-Диего
Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
