Undele sonore sunt afișate ca o lumină oscilantă. natrot / Shutterstock.com

Ce se întâmplă dacă nu ai nevoie de o intervenție chirurgicală pentru a implanta un stimulator cardiac pe o inimă defectă? Ce se întâmplă dacă ai putea să-ți controlezi nivelul zahărului din sânge fără o injecție de insulină sau să atenuezi apariția unei convulsii fără a apăsa nici măcar un buton?

Eu și o echipă de oameni de știință din laboratorul meu de la Institutul Salk abordează aceste provocări prin dezvoltarea unei noi tehnologii cunoscute sub numele de sonogenetică, abilitatea de a controla neinvaziv activitatea celulelor folosind sunetul.

De la lumină la sunet

Sunt neurolog interesat să înțeleagă modul în care creierul detectează schimbările de mediu și răspunde. Neurologii caută întotdeauna modalități de a influența neuronii din creierul viu, astfel încât să putem analiza rezultatul și să înțelegem atât cum funcționează acel creier, cât și cum să tratăm mai bine tulburările cerebrale.

Crearea acestor modificări specifice necesită dezvoltarea de noi instrumente. În ultimele două decenii, instrumentul de bază pentru cercetătorii din domeniul meu a fost optogenetica, o tehnică în care celulele cerebrale proiectate la animale sunt controlate cu lumină. Acest proces presupune inserarea unei fibre optice adânc în creierul animalului pentru a livra lumină în regiunea țintă.

Atunci când aceste celule nervoase sunt expuse la lumina albastră, proteina sensibilă la lumină este activată, permițând acelor celule ale creierului să comunice între ele și să modifice comportamentul animalului. De exemplu, animalele cu boala Parkinson pot fi vindecați de tremururile lor involuntare de o lumină strălucitoare pe celulele creierului care au fost special concepute, făcându-le sensibile la lumină. Dar dezavantajul evident este că această procedură depinde de implantarea chirurgicală a unui cablu în creier - o strategie care nu poate fi tradusă cu ușurință în oameni.

Scopul meu a fost să-mi dau seama cum să manipulez creierul fără a folosi lumina.

Controlul sunetului

Am descoperit că ultrasunetele - undele sonore dincolo de raza auzului uman, care sunt neinvazive și sigure - sunt o modalitate excelentă de a controla celulele. Deoarece sunetul este o formă de energie mecanică, m-am gândit că, dacă celulele creierului ar putea fi sensibilizate mecanic, le-am putea modifica cu ultrasunete. Această cercetare ne-a condus la descoperirea primul detector mecanic de proteine ​​naturale care a făcut celulele creierului sensibile la ultrasunete.

Tehnologia noastră funcționează în două etape. Mai întâi introducem material genetic nou în celulele creierului care funcționează defectuos, folosind un virus ca dispozitiv de livrare. Aceasta oferă instrucțiunile pentru aceste celule pentru a produce proteinele sensibile la ultrasunete.

Următorul pas este emiterea de impulsuri cu ultrasunete de la un dispozitiv din afara corpului animalului care vizează celulele cu proteinele sensibile la sunet. Pulsul cu ultrasunete activează de la distanță celulele.

Intervalele de frecvență sonoră pentru undele infrasunetice, sonore și ultrasunete și animalele care le pot auzi. Oamenii pot auzi doar între 20 Hz și 20,000 Hz. Designua / Shutterstock.com

Dovadă la viermi

Am fost primii care au arătat cum sonogenetica poate fi utilizată pentru activarea neuronilor într-un vierme microscopic numit Caenorhabditis elegans.

Folosind tehnici genetice, am identificat o proteină naturală numită TRP-4 - care este prezentă în unii dintre neuronii viermelui - care era sensibilă la modificările presiunii ultrasunete. Undele de presiune sonoră care apar în domeniul ultrasunetelor sunt peste pragul normal pentru auzul uman. Unele animale, inclusiv lilieci, balene și chiar molii, pot comunica la aceste frecvențe cu ultrasunete, dar frecvențele utilizate în experimentele noastre depășesc ceea ce pot detecta chiar și aceste animale.

Echipa mea și cu mine am demonstrat că neuronii cu proteina TRP-4 sunt sensibili la frecvențele ultrasonice. Undele sonore la aceste frecvențe au schimbat comportamentul viermelui. Am modificat genetic doi dintre cei 302 neuroni ai viermelui și am adăugat gena TRP-4 știam din studii anterioare a fost implicat în mecanosensibilitate.

Am arătat cum impulsurile cu ultrasunete ar putea face viermii să schimbe direcția, ca și cum am folosi o telecomandă cu viermi. Aceste observații au dovedit că am putea folosi ultrasunetele ca instrument pentru a studia funcția creierului la animalele vii fără a introduce nimic în creier.

Trimiterea unui impuls cu ultrasunete către un vierme care transportă proteine ​​sensibile la sunet determină schimbarea direcției:

{vembed Y = vLOqvBG6x-E}

Avantajele sonogeneticii

Această constatare inițială a marcat nașterea unei noi tehnici care oferă informații despre modul în care celulele pot fi excitate de sunet. În plus, cred că rezultatele noastre sugerează că sonogenetica poate fi aplicată pentru a manipula o mare varietate de tipuri de celule și funcții celulare.

C.elegans a fost un bun punct de plecare pentru dezvoltarea acestei tehnologii, deoarece animalul este relativ simplu, având doar 302 de neuroni. Dintre acestea, TRP-4 se află în doar opt neuroni. Deci, putem controla alți neuroni adăugând mai întâi TRP-4 la aceștia și apoi direcționând ultrasunetele exact către acești neuroni specifici.

Dar oamenii, spre deosebire de viermi, nu au gena TRP-4. Așadar, planul meu este să introduc proteina sensibilă la sunet în celulele umane specifice pe care vrem să le controlăm. Avantajul acestei abordări este că ultrasunetele nu vor interfera cu alte celule din corpul uman.

În prezent nu se știe dacă alte proteine ​​decât TRP-4 sunt sensibile la ultrasunete. Identificarea acestor proteine, dacă există, este un domeniu de studiu intens în laboratorul meu și pe teren.

Cea mai bună parte a sonogeneticii este că nu necesită un implant cerebral. Pentru sonogenetică, folosim viruși proiectați artificial - care nu sunt capabili să se replice - pentru a livra material genetic către celulele creierului. Acest lucru permite celulelor să fabrice proteine ​​sensibile la sunet. Această metodă a fost folosită pentru livra material genetic sângelui uman și celulele musculare ale inimii la porci.

Sonogenetica, deși încă în stadiile incipiente de dezvoltare, oferă o nouă strategie terapeutică pentru diferite tulburări legate de mișcare, inclusiv Parkinson, epilepsie și diskinezie. În toate aceste boli, anumite celule ale creierului încetează să mai funcționeze și împiedică mișcările normale. Sonogenetica ar putea permite medicilor să pornească sau să oprească celulele creierului la un anumit loc sau moment și să trateze aceste tulburări de mișcare fără intervenții chirurgicale pe creier.

Pentru ca acest lucru să funcționeze, regiunea țintă a creierului ar trebui să fie infectată cu virusul care transportă genele proteinei sensibile la sunet. Acest lucru a fost făcut la șoareci, dar încă nu la oameni. Terapia genică devine din ce în ce mai bună și mai precisă și sper că alți cercetători vor fi aflat cum să facă acest lucru până când vom fi gata cu tehnologia noastră sonogenetică.

Extinderea sonogeneticii

Am primit sprijin substanțial pentru a avansa această tehnologie, alimentați studiul inițial și stabiliți o echipă interdisciplinară.

Cu finanțare suplimentară de la Defense Advanced Research Projects Agency Programul ElectRx, ne putem concentra pe găsirea proteinelor care ne pot ajuta să „oprim” neuronii. Recent am descoperit proteine ​​care pot fi manipulate pentru a activa neuronii (lucrare nepublicată). Acest lucru este crucial pentru dezvoltarea unei strategii terapeutice care poate fi utilizată pentru tratarea bolilor sistemului nervos central precum Parkinson.

Atingerea frunzei plantei Mimosa pudica declanșează un răspuns pliant care determină închiderea frunzelor. Planta este, de asemenea, sensibilă la ultrasunete, care poate declanșa aceeași reacție:

{vembed Y = 7lP35rsQu8c}

Echipa noastră lucrează, de asemenea, la extinderea tehnologiei sonogenetice. Am observat acum că anumite plante, cum ar fi „nu mă atinge” (mimoza pudica), sunt sensibile la ultrasunete. Așa cum se știe că frunzele acestei plante se prăbușesc și se îndoaie spre interior atunci când sunt atinse sau agitate, aplicarea impulsurilor de ultrasunete pe o ramură izolată produce același răspuns. În cele din urmă, dezvoltăm o metodă diferită pentru a testa dacă ultrasunetele pot influența procesele metabolice, cum ar fi secreția de insulină din celulele pancreatice.

Sonogenetica ar putea într-o zi să ocolească medicamentele, să elimine necesitatea intervențiilor chirurgicale invazive pe creier și să fie utilă pentru afecțiuni care variază de la tulburări de stres post-traumatic și tulburări de mișcare până la dureri cronice. Marele potențial pentru sonogenetică este că această tehnologie ar putea fi aplicată pentru a controla aproape orice tip de celulă: de la o celulă producătoare de insulină din pancreas până la stimularea unei inimi.

Speranța noastră este că sonogenetica revoluționează domeniile neurologiei și medicinei.

Despre autor

Sreekanth Chalasani, Profesor asociat de neurobiologie moleculară (Institutul Salk) și profesor asociat de neurobiologie, Universitatea din California, San Diego

Acest articol este republicat de la Conversaţie sub licență Creative Commons. Citeste Articol original.