Звукові хвилі відображаються у вигляді коливального світіння. natrot / Shutterstock.com

Що робити, якщо вам не потрібна операція з імплантації кардіостимулятора на несправне серце? Що робити, якщо ви могли контролювати рівень цукру в крові без ін'єкції інсуліну або пом’якшити початок судом, навіть не натиснувши кнопку?

Я та команда вчених у с моя лабораторія в Інститут Солка вирішують ці виклики, розробляючи нову технологію, відому як соногенетика, здатність неінвазивно контролювати діяльність клітин за допомогою звуку.

Від світла до звуку

Я невролог зацікавлений у розумінні того, як мозок виявляє зміни навколишнього середовища та реагує на них. Неврологи завжди шукають способи впливу на нейрони в живих мозку, щоб ми могли проаналізувати результат і зрозуміти, як працює цей мозок, і як краще лікувати розлади мозку.

Створення цих конкретних змін вимагає розробки нових інструментів. Останні два десятиліття інструментом для дослідників у моїй галузі була оптогенетика - методика інженерні клітини мозку у тварин контролюються світлом. Цей процес включає введення оптичного волокна глибоко в мозок тварини для доставки світла в цільову область.

Коли ці нервові клітини піддаються впливу синього світла, активується світлочутливий білок, що дозволяє цим клітинам мозку спілкуватися між собою та змінювати поведінку тварини. Наприклад, тварини з хворобою Паркінсона можуть бути вилікували їх мимовільне тремтіння блискучим світлом на клітини мозку, які були спеціально розроблені, роблячи їх світлочутливими. Але очевидним недоліком є ​​те, що ця процедура залежить від хірургічного імплантації кабелю в мозок - стратегії, яку неможливо легко перекласти людям.

Моєю метою було з'ясувати, як маніпулювати мозку без використання світла.

Управління звуком

Я виявив, що ультразвук - звукові хвилі, що виходять за межі слуху людини, які є неінвазивними та безпечними - це чудовий спосіб контролювати клітини. Оскільки звук є формою механічної енергії, я зрозумів, що якщо клітини мозку можуть бути механічно чутливими, то ми можемо модифікувати їх за допомогою ультразвуку. Це дослідження привело нас до відкриття перший природний механічний детектор білка що зробило клітини мозку чутливими до ультразвуку.

Наша технологія працює в два етапи. Спочатку ми впроваджуємо новий генетичний матеріал у несправні клітини мозку, використовуючи вірус як пристрій доставки. Це дає інструкції для цих клітин для виготовлення реакцій на ультразвук білків.

Наступний крок - випромінювання ультразвукових імпульсів із пристрою поза тілом тварини, націленого на клітини із чутливими до звуку білками. Ультразвуковий імпульс дистанційно активує клітини.

Діапазон звукових частот для інфразвукових, звукових та ультразвукових хвиль та тварин, які можуть їх чути. Люди можуть чути лише між 20 Гц і 20,000 Гц. Designua / Shutterstock.com

Доказ у глистів

Ми першими показали, як соногенетика може використовуватися для активації нейронів в мікроскопічному хробаку називається Caenorhabditis Елеганс.

Використовуючи генетичні методи, ми визначили природний білок під назвою TRP-4 - який присутній у деяких нейронах хробака - який був чутливий до змін тиску ультразвуку. Хвилі звукового тиску, що виникають в ультразвуковому діапазоні, перевищують нормальний поріг слуху для людини. Деякі тварини, включаючи кажанів, китів і навіть молі, можуть спілкуватися на цих ультразвукових частотах, але частоти, які використовуються в наших експериментах, виходять за рамки того, що навіть ці тварини можуть виявити.

Ми з моєю командою продемонстрували, що нейрони з білком TRP-4 чутливі до ультразвукових частот. Звукові хвилі на цих частотах змінили поведінку черв'яка. Ми генетично змінили два нейрони хробака 302 і додали ген TRP-4, який ми знали з попередніх досліджень займався механосенсацією.

Ми показали, як ультразвукові імпульси можуть змусити глистів змінювати напрямок, як ніби ми використовуємо черв'ячний пульт. Ці спостереження довели, що ми могли використовувати ультразвук як інструмент для вивчення функцій мозку у живих тварин, не вставляючи нічого в мозок.

Надсилання імпульсу ультразвуку черв'яку, що переносить чутливі до звуку білки, призводить до зміни напрямку:

{вембід Y = vLOqvBG6x-E}

Переваги соногенетики

Цей початковий висновок ознаменував народження нової методики, яка пропонує розуміння того, як клітини можуть збуджувати звук. Крім того, я вважаю, що наші результати говорять про те, що соногенетика може бути застосована для маніпулювання різноманітними типами клітин та функціями клітин.

C. elegans була гарною відправною точкою для розробки цієї технології, оскільки тварина порівняно проста, маючи лише нейрони 302. З них TRP-4 є лише у восьми нейронах. Таким чином, ми можемо контролювати інші нейрони, спочатку додаючи до них TRP-4, а потім направляючи ультразвук саме на ці конкретні нейрони.

Але люди, на відміну від глистів, не мають гена TRP-4. Тож мій план полягає у впровадженні чутливого до звуку білка в конкретних людських клітинах, якими ми хочемо контролювати. Перевага такого підходу полягає в тому, що ультразвук не заважатиме жодним іншим клітинам людського організму.

Наразі невідомо, чи чутливі до ультразвуку білки, окрім TRP-4. Виявлення таких білків, якщо такі є, - це область інтенсивного дослідження в моїй лабораторії та на місцях.

Найкраща частина соногенетики полягає в тому, що вона не потребує імплантації мозку. Для соногенетики ми використовуємо штучно створені віруси - які не в змозі реплікувати - для доставки генетичного матеріалу до клітин мозку. Це дозволяє клітинам виробляти чутливі до звуку білки. Цей метод був використаний для доставляють генетичний матеріал до крові людини та клітини серцевого м’яза у свиней.

Соногенетика, хоча ще на ранніх стадіях розвитку, пропонує нову терапевтичну стратегію для різних порушень, пов’язаних з рухом, включаючи Паркинсон, епілепсію та дискінезію. При всіх цих захворюваннях певні клітини мозку перестають працювати і перешкоджають нормальним рухам. Соногенетика могла б дозволити лікарям вмикати або вимикати клітини мозку в певному місці чи в часі і лікувати ці порушення руху без операції на мозку.

Для цього потрібно, щоб цільова область мозку була заражена вірусом, що переносить гени для чутливого до звуку білка. Це було зроблено на мишах, але ще не у людей. Генна терапія стає все кращою та точнішою, і я сподіваюся, що інші дослідники придумають, як це зробити до того моменту, коли ми будемо готові за допомогою нашої соногенетичної технології.

Розширення соногенетики

Ми отримали істотна підтримка просунути цю технологію, підготувати початкове дослідження та створити міждисциплінарну команду.

З додатковим фінансуванням від Агенції прогресивних дослідницьких проектів в галузі оборони Програма ElectRx, ми можемо зосередитись на пошуку білків, які можуть допомогти нам «вимкнути» нейрони. Нещодавно ми виявили білки, якими можна маніпулювати для активації нейронів (неопублікована робота). Це має вирішальне значення для розробки терапевтичної стратегії, яка може бути використана для лікування захворювань центральної нервової системи, таких як хвороба Паркінсона.

Дотик до листя рослини Mimosa pudica викликає складчасту реакцію, яка змушує листя закриватися. Рослина також чутлива до ультразвуку, що може викликати ту ж реакцію:

{встановлено Y = 7lP35rsQu8c}

Наша команда також працює над розширенням соногенетичної технології. Зараз ми помітили, що деякі рослини, такі як "не торкайтесь мене" (Мімоза пудіка), чутливі до ультразвуку. Так само, як відомо, що листя цієї рослини згортаються і згортаються всередину при торканні або струсі, прикладення імпульсів ультразвуку до ізольованої гілки дає таку саму реакцію. Нарешті, ми розробляємо інший метод, щоб перевірити, чи може ультразвук впливати на метаболічні процеси, такі як секреція інсуліну з клітин підшлункової залози.

Соногенетика може одного дня обійти ліки, усунути потребу в інвазивних операціях на мозку та бути корисною для станів, починаючи від посттравматичного стресового розладу та порушень руху до хронічного болю. Великий потенціал для соногенетики полягає в тому, що ця технологія може бути застосована для контролю майже будь-якого типу клітин: від інсулінопродукуючої клітини підшлункової залози до серцебиття.

Ми сподіваємось, що соногенетика революціонізує сфери нейронауки та медицини.

Про автора

Срікант Chalasani, Доцент кафедри молекулярної нейробіології (Інститут Солка) та доцент кафедри нейробіології, Університету Каліфорнії в Сан-Дієго

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.