Τα ηχητικά κύματα εμφανίζονται ως ταλαντούμενο φως λάμψης. natrot / Shutterstock.com

Τι γίνεται αν δεν χρειάζεστε χειρουργική επέμβαση για την εμφύτευση βηματοδότη σε ελαττωματική καρδιά; Τι γίνεται αν θα μπορούσατε να ελέγξετε τα επίπεδα σακχάρου στο αίμα σας χωρίς ένεση ινσουλίνης ή να μετριάσετε την έναρξη μιας κρίσης χωρίς καν να πιέσετε ένα κουμπί;

Εγώ και μια ομάδα επιστημόνων στο το εργαστήριό μου κατά τη Ινστιτούτο Salk αντιμετωπίζουν αυτές τις προκλήσεις αναπτύσσοντας μια νέα τεχνολογία γνωστή ως sonogenetics, την ικανότητα μη επεμβατικού ελέγχου της δραστηριότητας των κυττάρων χρησιμοποιώντας ήχο.

Από φως σε ήχο

Είμαι νευροεπιστήμονας ενδιαφέρεται να κατανοήσει πώς ο εγκέφαλος ανιχνεύει περιβαλλοντικές αλλαγές και ανταποκρίνεται. Οι νευροεπιστήμονες αναζητούν πάντα τρόπους για να επηρεάσουν τους νευρώνες στους ζωντανούς εγκεφάλους, ώστε να μπορούμε να αναλύσουμε το αποτέλεσμα και να κατανοήσουμε τόσο πώς λειτουργεί αυτός ο εγκέφαλος όσο και πώς να αντιμετωπίσουμε καλύτερα τις εγκεφαλικές διαταραχές.

Η δημιουργία αυτών των συγκεκριμένων αλλαγών απαιτεί την ανάπτυξη νέων εργαλείων. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, το εργαλείο μετάβασης για ερευνητές στον τομέα μου ήταν η οπτογενετική, μια τεχνική στην οποία τα κατασκευασμένα εγκεφαλικά κύτταρα στα ζώα ελέγχονται με φως. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την εισαγωγή μιας οπτικής ίνας βαθιά μέσα στον εγκέφαλο του ζώου για να παραδώσει φως στην περιοχή στόχο.

Όταν αυτά τα νευρικά κύτταρα εκτίθενται σε μπλε φως, ενεργοποιείται η ευαίσθητη στο φως πρωτεΐνη, επιτρέποντας σε αυτά τα εγκεφαλικά κύτταρα να επικοινωνούν μεταξύ τους και να τροποποιούν τη συμπεριφορά του ζώου. Για παράδειγμα, τα ζώα με νόσο του Πάρκινσον μπορεί να είναι θεραπεύονται από τους ακούσιους τρόμους τους λάμποντας φως σε εγκεφαλικά κύτταρα που έχουν σχεδιαστεί ειδικά, καθιστώντας τα ευαίσθητα στο φως. Αλλά το προφανές μειονέκτημα είναι ότι αυτή η διαδικασία εξαρτάται από τη χειρουργική τοποθέτηση ενός καλωδίου στον εγκέφαλο - μια στρατηγική που δεν μπορεί εύκολα να μεταφραστεί σε ανθρώπους.

Ο στόχος μου ήταν να καταλάβω πώς να χειριστώ τον εγκέφαλο χωρίς να χρησιμοποιήσω φως.

Έλεγχος ήχου

Ανακάλυψα ότι ο υπέρηχος - ηχητικά κύματα πέρα ​​από το εύρος της ανθρώπινης ακοής, τα οποία είναι μη επεμβατικά και ασφαλή - είναι ένας πολύ καλός τρόπος για τον έλεγχο των κυττάρων. Δεδομένου ότι ο ήχος είναι μια μορφή μηχανικής ενέργειας, κατάλαβα ότι εάν τα εγκεφαλικά κύτταρα θα μπορούσαν να γίνουν μηχανικά ευαίσθητα, τότε θα μπορούσαμε να τα τροποποιήσουμε με υπερήχους. Αυτή η έρευνα μας οδήγησε στην ανακάλυψη του πρώτος μηχανικός ανιχνευτής πρωτεϊνών που απαντάται στη φύση που έκανε τα εγκεφαλικά κύτταρα ευαίσθητα στον υπέρηχο.

Η τεχνολογία μας λειτουργεί σε δύο στάδια. Πρώτα εισάγουμε νέο γενετικό υλικό σε δυσλειτουργικά εγκεφαλικά κύτταρα χρησιμοποιώντας έναν ιό ως συσκευή παράδοσης. Αυτό παρέχει τις οδηγίες για αυτά τα κύτταρα να κάνουν τις υπερηχογραφικές πρωτεΐνες που αποκρίνονται.

Το επόμενο βήμα είναι η εκπομπή παλμών υπερήχων από μια συσκευή έξω από το σώμα του ζώου στοχεύοντας τα κύτταρα με τις ευαίσθητες στον ήχο πρωτεΐνες. Ο παλμός υπερήχων ενεργοποιεί εξ αποστάσεως τα κύτταρα.

Η ηχητική συχνότητα κυμαίνεται για υπερηχογράφημα, ακουστικά και υπερηχητικά κύματα και για τα ζώα που μπορούν να τα ακούσουν. Οι άνθρωποι μπορούν να ακούσουν μόνο μεταξύ 20 Hz και 20,000 Hz. Designua / Shutterstock.com

Απόδειξη σε σκουλήκια

Ήμασταν οι πρώτοι που δείξαμε πώς Η ηχογενετική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ενεργοποίηση των νευρώνων σε ένα μικροσκοπικό σκουλήκι που ονομάζεται Caenorhabditis elegans.

Χρησιμοποιώντας γενετικές τεχνικές, εντοπίσαμε μια φυσική πρωτεΐνη που ονομάζεται TRP-4 - η οποία υπάρχει σε ορισμένους από τους νευρώνες του σκουλήκι - που ήταν ευαίσθητη σε αλλαγές στην πίεση υπερήχων. Τα κύματα ηχητικής πίεσης που συμβαίνουν στην περιοχή υπερήχων είναι πάνω από το κανονικό όριο για την ανθρώπινη ακοή. Ορισμένα ζώα, συμπεριλαμβανομένων των νυχτερίδων, των φαλαινών και ακόμη και των σκώρων, μπορούν να επικοινωνούν σε αυτές τις υπερηχητικές συχνότητες, αλλά οι συχνότητες που χρησιμοποιούνται στα πειράματά μας υπερβαίνουν αυτό που ακόμη και αυτά τα ζώα μπορούν να ανιχνεύσουν.

Η ομάδα μου και εγώ αποδείξαμε ότι οι νευρώνες με την πρωτεΐνη TRP-4 είναι ευαίσθητοι στις υπερηχητικές συχνότητες. Τα ηχητικά κύματα σε αυτές τις συχνότητες άλλαξαν τη συμπεριφορά του σκουλήκι. Αλλάξαμε γενετικά δύο από τους 302 νευρώνες του σκουλήκι και προσθέσαμε το γονίδιο TRP-4 γνωρίζαμε από προηγούμενες μελέτες ασχολήθηκε με τη μηχανική αίσθηση.

Δείξαμε πώς οι παλμοί υπερήχων θα μπορούσαν να κάνουν τα σκουλήκια να αλλάξουν κατεύθυνση, σαν να χρησιμοποιούσαμε ένα τηλεχειριστήριο σκουληκιών. Αυτές οι παρατηρήσεις απέδειξαν ότι θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε τον υπέρηχο ως εργαλείο για τη μελέτη της λειτουργίας του εγκεφάλου σε ζωντανά ζώα χωρίς να εισάγουμε τίποτα στον εγκέφαλο.

Η αποστολή ενός παλμού υπερήχου σε ένα σκουλήκι που μεταφέρει ευαίσθητες στον ήχο πρωτεΐνες το κάνει να αλλάξει κατεύθυνση:

{vembed Y=vLOqvBG6x-E}

Τα πλεονεκτήματα της υπερηχογενετικής

Αυτό το αρχικό εύρημα σηματοδότησε τη γέννηση μιας νέας τεχνικής που προσφέρει πληροφορίες για το πώς τα κύτταρα μπορούν να ενθουσιαστούν από τον ήχο. Επιπλέον, πιστεύω ότι τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν ότι η ηχογενετική μπορεί να εφαρμοστεί για να χειριστεί μια μεγάλη ποικιλία τύπων κυττάρων και κυτταρικών λειτουργιών.

Γ. Elegans ήταν ένα καλό σημείο εκκίνησης για την ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας, επειδή το ζώο είναι σχετικά απλό, με μόνο 302 νευρώνες. Από αυτά, το TRP-4 είναι μόνο σε οκτώ νευρώνες. Έτσι μπορούμε να ελέγξουμε άλλους νευρώνες προσθέτοντας πρώτα το TRP-4 σε αυτούς και στη συνέχεια κατευθύνοντας τον υπέρηχο ακριβώς σε αυτούς τους συγκεκριμένους νευρώνες.

Όμως οι άνθρωποι, σε αντίθεση με τα σκουλήκια, δεν έχουν το γονίδιο TRP-4. Έτσι, το σχέδιό μου είναι να εισαγάγω την ηχητική ευαίσθητη πρωτεΐνη στα συγκεκριμένα ανθρώπινα κύτταρα που θέλουμε να ελέγξουμε. Το πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ότι ο υπέρηχος δεν θα επηρεάσει άλλα κύτταρα του ανθρώπινου σώματος.

Προς το παρόν δεν είναι γνωστό εάν άλλες πρωτεΐνες εκτός από το TRP-4 είναι ευαίσθητες στον υπέρηχο. Ο εντοπισμός τέτοιων πρωτεϊνών, εάν υπάρχουν, είναι ένας τομέας έντονης μελέτης στο εργαστήριο και το χωράφι μου.

Το καλύτερο μέρος για την υπερηχογενετική είναι ότι δεν απαιτεί εμφύτευμα εγκεφάλου. Για την Sonogenetics, χρησιμοποιούμε τεχνητά κατασκευασμένους ιούς - που δεν μπορούν να αναπαραχθούν - για να παραδώσουν γενετικό υλικό στα εγκεφαλικά κύτταρα. Αυτό επιτρέπει στα κύτταρα να παράγουν ευαίσθητες στον ήχο πρωτεΐνες. Αυτή η μέθοδος έχει χρησιμοποιηθεί για παραδώσει γενετικό υλικό στο ανθρώπινο αίμα και καρδιακά μυϊκά κύτταρα σε χοίρους.

Η ηχογενετική, αν και βρίσκεται ακόμη στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης, προσφέρει μια νέα θεραπευτική στρατηγική για διάφορες διαταραχές που σχετίζονται με την κίνηση, όπως η νόσος του Πάρκινσον, η επιληψία και η δυσκινησία. Σε όλες αυτές τις ασθένειες, ορισμένα εγκεφαλικά κύτταρα σταματούν να λειτουργούν και αποτρέπουν τις φυσιολογικές κινήσεις. Η Sonogenetics θα μπορούσε να επιτρέψει στους γιατρούς να ενεργοποιήσουν ή να απενεργοποιήσουν τα εγκεφαλικά κύτταρα σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία ή ώρα και να αντιμετωπίσουν αυτές τις διαταραχές της κίνησης χωρίς εγχείρηση εγκεφάλου.

Για να λειτουργήσει αυτό, η περιοχή στόχος του εγκεφάλου θα πρέπει να μολυνθεί με τον ιό που μεταφέρει τα γονίδια για την ευαίσθητη στον ήχο πρωτεΐνη. Αυτό έχει γίνει σε ποντίκια αλλά όχι ακόμη σε ανθρώπους. Η γονιδιακή θεραπεία γίνεται όλο και καλύτερη και ακριβέστερη, και ελπίζω ότι άλλοι ερευνητές θα έχουν καταλάβει πώς να το κάνουν αυτό όταν είμαστε έτοιμοι με την υπερηχητική τεχνολογία μας.

Επέκταση της υπερηχητικής γενετικής

Εχουμε λάβει ουσιαστική υποστήριξη να προωθήσει αυτήν την τεχνολογία, να τροφοδοτήσει την αρχική μελέτη και να δημιουργήσει μια διεπιστημονική ομάδα.

Με πρόσθετη χρηματοδότηση από το Defense Advanced Research Projects Agency's Πρόγραμμα ElectRx, μπορούμε να επικεντρωθούμε στην εύρεση πρωτεϊνών που μπορούν να μας βοηθήσουν να «απενεργοποιήσουμε» τους νευρώνες. Ανακαλύψαμε πρόσφατα πρωτεΐνες που μπορούν να χειριστούν για να ενεργοποιήσουν τους νευρώνες (μη δημοσιευμένη εργασία). Αυτό είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη μιας θεραπευτικής στρατηγικής που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία ασθενειών του κεντρικού νευρικού συστήματος όπως του Πάρκινσον.

Το άγγιγμα του φύλλου του φυτού Mimosa pudica προκαλεί μια απόκριση αναδίπλωσης που προκαλεί το κλείσιμο των φύλλων. Το φυτό είναι επίσης ευαίσθητο στον υπέρηχο που μπορεί να προκαλέσει την ίδια αντίδραση:

{vembed Y=7lP35rsQu8c}

Η ομάδα μας εργάζεται επίσης για την επέκταση της υπερηχητικής τεχνολογίας. Τώρα έχουμε παρατηρήσει ότι ορισμένα φυτά, όπως το «άγγιξε όχι» (Mimosa pudica), είναι ευαίσθητοι στον υπέρηχο. Ακριβώς όπως τα φύλλα αυτού του φυτού είναι γνωστό ότι καταρρέουν και διπλώνονται προς τα μέσα όταν αγγίζονται ή ανακινούνται, η εφαρμογή παλμών υπερήχων σε ένα απομονωμένο κλαδί παράγει την ίδια απόκριση. Τέλος, αναπτύσσουμε μια διαφορετική μέθοδο για να ελέγξουμε εάν ο υπέρηχος μπορεί να επηρεάσει τις μεταβολικές διεργασίες όπως η έκκριση ινσουλίνης από παγκρεατικά κύτταρα.

Η Sonogenetics θα μπορούσε μια μέρα να παρακάμψει τα φάρμακα, να αφαιρέσει την ανάγκη για επεμβατικές εγκεφαλικές χειρουργικές επεμβάσεις και να είναι χρήσιμη για καταστάσεις που κυμαίνονται από μετατραυματική διαταραχή στρες και διαταραχές της κίνησης έως χρόνιο πόνο. Το μεγάλο δυναμικό για την υπερηχογενετική είναι ότι αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να εφαρμοστεί για τον έλεγχο σχεδόν οποιουδήποτε τύπου κυττάρου: από ένα κύτταρο που παράγει ινσουλίνη στο πάγκρεας έως τον βηματισμό της καρδιάς.

Η ελπίδα μας είναι ότι η υπερηχογενετική επανάσταση στους τομείς της νευροεπιστήμης και της ιατρικής.

Σχετικά με το Συγγραφέας

Σριάνθ Χαλασάνι, Αναπληρωτής Καθηγητής Μοριακής Νευροβιολογίας (Salk Institute) και Αναπληρωτής Καθηγητής Νευροβιολογίας, Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.