Ääniaallot näytetään värähtelevänä hehkuvalona. natrot / Shutterstock.com

Entä jos et tarvitse leikkausta sydämentahdistimen istuttamiseksi vialliselle sydämelle? Entä jos voisit säätää verensokeritasosi ilman insuliinin injektiota tai lievittää kohtauksen alkamista edes nappia painettamatta?

Minä ja joukkue tutkijoita minun laboratoriosi klo Salk Institute ovat vastaamassa näihin haasteisiin kehittämällä uuden tekniikan, joka tunnetaan nimellä sonogenetics, kyky hallita noninvasively solujen toimintaa äänen avulla.

Valosta ääneen

Olen neurotieteilijä kiinnostunut ymmärtämään, kuinka aivot havaitsevat ympäristön muutokset ja reagoivat niihin. Neurotieteilijät etsivät aina tapoja vaikuttaa elävien aivojen hermosoluihin, jotta voimme analysoida lopputulosta ja ymmärtää sekä aivojen toimintaa että aivojen häiriöiden parempaa hoitoa.

Näiden erityisten muutosten luominen edellyttää uusien työkalujen kehittämistä. Kahden viimeisen vuosikymmenen ajan oman työni tutkijoiden työkalu on ollut optogenetiikka, tekniikka, jossa Eläinten suunnitellut aivosolut ohjataan valolla. Tämä prosessi sisältää valokuidun asettamisen syvälle eläimen aivoihin valon toimittamiseksi kohdealueelle.

Kun nämä hermosolut altistetaan siniselle valolle, valoherkkä proteiini aktivoituu, jolloin nämä aivosolut voivat kommunikoida keskenään ja muuttaa eläimen käyttäytymistä. Esimerkiksi eläimet, joilla on Parkinsonin tauti, voivat olla parannettu tahattomista vapinaista loistamalla valolla aivosoluissa, jotka on erityisesti suunniteltu tekemään niistä valoherkkiä. Mutta ilmeinen haittapuoli on, että tämä toimenpide riippuu kaapelin implantista aivoihin - strategia, jota ei voida helposti kääntää ihmisille.

Tavoitteenani oli ollut selvittää, kuinka manipuloida aivoja käyttämättä valoa.

Ääniohjaus

Löysin, että ultraääni - ääni-aallot, jotka ovat ihmisen kuulon ulkopuolella ja jotka eivät ole invasiivisia ja turvallisia - on hieno tapa hallita soluja. Koska ääni on eräs mekaanisen energian muoto, arvelin, että jos aivosolut voitaisiin tehdä mekaanisesti herkiksi, voisimme muuttaa niitä ultraäänellä. Tämä tutkimus johti meidät löytämään ensimmäinen luonnossa esiintyvä proteiinimekaaninen ilmaisin joka teki aivosolut herkiksi ultraäänelle.

Teknologiamme toimii kahdessa vaiheessa. Esittelemme ensin uuden geenimateriaalin toimintahäiriöisiin aivosoluihin käyttämällä virusta jakelulaitteena. Tämä antaa ohjeet näille soluille ultraäänivasteisten proteiinien valmistamiseksi.

Seuraava vaihe on ultraääniimpulssien lähettäminen eläimen kehon ulkopuolelta olevalta laitteelta, joka kohdistuu soluihin äänherkillä proteiineilla. Ultraääni pulssi aktivoi solut etäyhteyden avulla.

Äänitaajuusalueet infrapuna-, ääni- ja ultraääniaalloille sekä niitä kuuleville eläimille. Ihmiset kuulevat vain välillä 20 Hz - 20,000 Hz. Designua / Shutterstock.com

Todistus matoista

Me näyttelimme ensimmäisenä miten sonogenetiikkaa voidaan käyttää hermojen aktivointiin mikroskooppisessa matossa nimeltään Caenorhabditis elegans.

Geneettisiä tekniikoita käyttämällä tunnistimme luonnossa esiintyvän proteiinin nimeltä TRP-4 - jota on läsnä joissain matohermoissa -, joka oli herkkä ultraäänipaineen muutoksille. Äänenpaineaalot, jotka esiintyvät ultraäänialueella, ovat ihmisen kuulon normaalin kynnyksen yläpuolella. Jotkut eläimet, mukaan lukien lepakot, valaat ja jopa koit, voivat kommunikoida näillä ultraäänitaajuuksilla, mutta kokeissamme käytetyt taajuudet ylittävät sen, mitä nämäkin eläimet voivat havaita.

Ryhmäni ja minä osoitimme, että neuronit, joilla on TRP-4-proteiini, ovat herkkiä ultraäänitaajuuksille. Ääniaallot näillä taajuuksilla muuttivat madon käyttäytymistä. Muokkasimme geneettisesti kahta matojen 302-neuroneista ja lisäsimme TRP-4-geenin, joka tiesimme aikaisemmista tutkimuksista oli mukana mekaanisessa herkistyksessä.

Näytimme, kuinka ultraäänipulssit voivat saada matoja muuttamaan suuntaa, ikään kuin käyttäisimme matokauko-ohjainta. Nämä havainnot osoittivat, että voimme käyttää ultraääntä työkaluna tutkia elävien eläinten aivojen toimintaa lisäämättä mitään aivoihin.

Ääntä herkät proteiineja kantavaan matoon ultraäänipulssin lähettäminen saa sen muuttamaan suuntaa:

{vembed Y = vLOqvBG6x-E}

Sonogenetiikan edut

Tämä ensimmäinen havainto merkitsi uuden tekniikan syntymää, joka tarjoaa käsityksen siitä, kuinka solut voivat herättää äänen. Lisäksi uskon, että tuloksemme viittaavat siihen, että sonogenetiikkaa voidaan soveltaa monenlaisten solutyyppien ja solutoimintojen manipulointiin.

C. elegans oli hyvä lähtökohta tämän tekniikan kehittämiselle, koska eläin on suhteellisen yksinkertainen, vain 302-hermosoluissa. Näistä TRP-4 on vain kahdeksassa hermossa. Joten voimme hallita muita neuroneja lisäämällä ensin niihin TRP-4 ja ohjaamalla sitten ultraääni tarkasti näihin spesifisiin neuroneihin.

Mutta ihmisillä, toisin kuin matoilla, ei ole TRP-4-geeniä. Joten suunnitelmani on tuoda ääniherkkä proteiini tiettyihin ihmisen soluihin, joita haluamme hallita. Tämän lähestymistavan etuna on, että ultraääni ei häiritse mitään muita ihmisen kehon soluja.

Tällä hetkellä ei tiedetä, ovatko muut proteiinit kuin TRP-4 herkkiä ultraäänelle. Sellaisten proteiinien tunnistaminen, jos niitä on, on intensiivisen tutkimuksen ala laboratoriosani ja kentällä.

Paras osa sonogenetikasta on, että se ei vaadi aivoimplanttia. Sonogenetiikkaan käytämme keinotekoisesti muokattuja viruksia - jotka eivät pysty replikoitumaan - geneettisen materiaalin toimittamiseen aivosoluihin. Tämän avulla solut voivat valmistaa ääniherkkiä proteiineja. Tätä menetelmää on käytetty toimittaa geneettistä materiaalia ihmisen vereen ja sydänlihassolut sioissa.

Sonogenetiikka, vaikka se on vielä hyvin varhaisessa kehitysvaiheessa, tarjoaa uuden terapeuttisen strategian erilaisille liikkeeseen liittyville häiriöille, mukaan lukien Parkinsonin, epilepsia ja dyskinesia. Kaikissa näissä sairauksissa tietyt aivosolut lakkaavat toimimasta ja estävät normaalia liikettä. Sonogenetiikan avulla lääkärit voivat kytkeä aivosolut päälle tai pois päältä tietyssä paikassa tai tiettyyn aikaan ja hoitaa nämä liikuntahäiriöt ilman aivoleikkausta.

Jotta tämä toimisi, aivojen kohdealue tulisi olla infektoitunut viruksella, joka sisältää ääniherkän proteiinin geenit. Tämä on tehty hiirillä, mutta ei vielä ihmisillä. Geeniterapia paranee ja tarkenee, ja toivon, että muut tutkijat ovat keksineet, miten tämä tehdään siihen mennessä, kun olemme valmiit sonogeneettisen tekniikkamme avulla.

Laajennetaan sonogenetiikkaa

Olemme saaneet huomattava tuki edistää tätä tekniikkaa, polttaa alustavaa tutkimusta ja perustaa monitieteinen ryhmä.

Lisärahoituksella puolustusministeriön Advanced Research Projects Agency -virastolta ElectRx-ohjelma, voimme keskittyä etsimään proteiineja, jotka voivat auttaa meitä “sammuttamaan” neuronit. Olemme hiljattain löytäneet proteiineja, joita voidaan manipuloida hermosolujen aktivoimiseksi (julkaisematon työ). Tämä on ratkaisevan tärkeää kehitettäessä terapeuttinen strategia, jota voidaan käyttää Parkinsonin kaltaisten keskushermostosairauksien hoitamiseen.

Mimosa pudica -kasvin lehden koskettaminen laukaisee taittumisvasteen, joka saa lehdet sulkeutumaan. Kasvi on myös herkkä ultraäänelle, joka voi laukaista saman reaktion:

{vembed Y = 7lP35rsQu8c}

Tiimimme pyrkii myös laajentamaan sonogeneettistä tekniikkaa. Olemme nyt havainneet, että tietyt kasvit, kuten ”älä koske minuun” (Mimosa pudica), ovat herkkiä ultraäänelle. Aivan kuten tämän kasvin lehtien tiedetään romahtavan ja taittuvan sisäänpäin koskettaessaan tai ravistettaessa, ultraäänipulssien kohdistaminen eristettyyn oksaan tuottaa saman vasteen. Viimeinkin kehitämme erilaista menetelmää testataksesi voiko ultraääni vaikuttaa aineenvaihduntaprosesseihin, kuten insuliinin eritykseen haimasoluista.

Sonogenetiikka voisi eräänä päivänä kiertää lääkkeitä, poistaa tarpeen invasiivisista aivoleikkauksista ja olla hyödyllinen tiloissa, jotka vaihtelevat posttraumaattisista stressihäiriöistä ja liikuntahäiriöistä krooniseen kipuun. Sonogenetiikan suuri potentiaali on, että tätä tekniikkaa voitaisiin käyttää hallitsemaan melkein mitä tahansa solutyyppiä: haiman insuliinia tuottavista soluista sydämen asettamiseen.

Toivomme, että sonogenetics mullistaa neurotieteen ja lääketieteen aloja.

kirjailijasta

Sreekanth Chalasani, Molekyylin neurobiologian apulaisprofessori (Salk-instituutti) ja neurobiologian apulaisprofessori, University of California San Diego

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.