A Sonogenetika új területe hanghullámokat használ az agysejtek viselkedésének ellenőrzésére

A Sonogenetika új területe hanghullámokat használ az agysejtek viselkedésének ellenőrzésére
A hanghullámok oszcilláló fényként jelennek meg. natrot / Shutterstock.com

Mi lenne, ha nem lenne szükség műtétre a szívritmus-szabályozó hibás szívre történő beültetéséhez? Mi lenne, ha inzulininjekció nélkül szabályozhatná a vércukorszintet, vagy akár egyetlen gombnyomás nélkül is enyhítené a roham kezdetét?

Én és egy csapat tudós a laboratóriumom a Salk Intézet a sonogenetika néven ismert új technológia kifejlesztésével kezelik ezeket a kihívásokat, a hang felhasználásával képesek a sejtek aktivitását nem invazívan szabályozni.

Fénytől hangig

Idegtudós vagyok érdekli annak megértése, hogy az agy hogyan észleli a környezeti változásokat és hogyan reagál. Az idegtudósok mindig keresik az élő agy neuronjainak befolyásolásának módját, hogy elemezhessük az eredményt és megértsük mind az agy működését, mind az agyi rendellenességek jobb kezelését.

E specifikus változások létrehozása új eszközök kifejlesztését igényli. Az elmúlt két évtizedben a területem kutatói számára az optogenetika volt az a módszer, amelynek technikája az állatok agyi sejtjeit fénnyel kontrollálják. Ez a folyamat magában foglalja az optikai szál mély behelyezését az állat agyába, hogy fényt juttasson a célrégióba.


 Szerezd meg a legújabb e-mailben

Heti magazin Napi inspiráció

Amikor ezek az idegsejtek kék fénynek vannak kitéve, a fényérzékeny fehérje aktiválódik, lehetővé téve ezeknek az agysejteknek, hogy kommunikáljanak egymással és módosítsák az állat viselkedését. Például a Parkinson-kórban szenvedő állatok lehetnek ragyogó fényvel meggyógyította akaratlan remegésüket agyi sejteken, amelyeket speciálisan fejlesztettek, így fényérzékenyek. De a nyilvánvaló hátrány az, hogy ez az eljárás attól függ, hogy műtéti úton beültetik-e a kábelt az agyba - ez a stratégia nem könnyen fordítható emberekké.

Célom az volt, hogy kitaláljam, hogyan lehet az agyat manipulálni a fény használata nélkül.

Hangvezérlés

Rájöttem, hogy az ultrahang - az emberi halláshatáron túli hanghullámok, amelyek nem invazívak és biztonságosak - nagyszerű módja a sejtek ellenőrzésének. Mivel a hang a mechanikus energia egyik formája, arra gondoltam, hogy ha az agysejteket mechanikailag érzékennyé lehet tenni, akkor ultrahanggal módosíthatjuk őket. Ez a kutatás vezetett minket a az első természetesen előforduló fehérje mechanikai detektor ez érzékennyé tette az agysejteket az ultrahangra.

Technológiánk két szakaszban működik. Először új genetikai anyagot vezetünk be a rosszul működő agysejtekbe, vírust használva szállító eszközként. Ez az utasításokat tartalmazza ezekre a sejtekre az ultrahangra reagáló fehérjék előállításához.

A következő lépés az állat testén kívüli készülék ultrahang-impulzusainak kibocsátása, amelyek a hangérzékeny fehérjékkel a sejteket célozzák meg. Az ultrahang impulzus távolról aktiválja a sejteket.

A Sonogenetika új területe hanghullámokat használ az agysejtek viselkedésének ellenőrzésére
Az infrahang-, hallható- és ultrahanghullámok, valamint az azokat halló állatok hangfrekvenciatartománya. Az emberek csak 20 Hz és 20,000 XNUMX Hz között képesek hallani. Designua / Shutterstock.com

Bizonyítás férgekben

Elsőként mutattuk meg, hogyan a sonogenetika alkalmazható az idegsejtek aktiválására nevű mikroszkopikus féregben Caenorhabditis elegans.

Genetikai technikák segítségével azonosítottunk egy TRP-4 nevű, természetesen előforduló fehérjét - amely a féreg néhány neuronjában jelen van -, amely érzékeny az ultrahang nyomásváltozásaira. Az ultrahangos tartományban előforduló hangnyomáshullámok meghaladják az emberi hallás normál küszöbértékét. Egyes állatok, köztük denevérek, bálnák és akár lepkék is képesek kommunikálni ezen az ultrahangos frekvenciákon, de a kísérleteinkben használt frekvenciák meghaladják azt, amit még ezek az állatok is képesek észlelni.

Csapatommal megmutattuk, hogy a TRP-4 fehérjével rendelkező idegsejtek érzékenyek az ultrahangos frekvenciákra. Az ilyen frekvenciájú hanghullámok megváltoztatták a féreg viselkedését. Genetikailag megváltoztattuk a féreg 302 neuronjának kettőjét, és hozzáadtuk a TRP-4 gént korábbi tanulmányokból tudtuk mechanoszenzációval foglalkozott.

Megmutattuk, hogy az ultrahang-impulzusok hogyan változtathatják meg a férgek irányát, mintha féreg távirányítót használnánk. Ezek a megfigyelések bebizonyították, hogy az ultrahang segítségével eszközként tanulmányozhatjuk az élő állatok agy működését anélkül, hogy bármit is beillesztenénk az agyba.

Ha ultrahang-impulzust küld egy hangérzékeny fehérjéket hordozó féregnek, az irányát megváltoztatja:

A sonogenetika előnyei

Ez a kezdeti megállapítás egy új technika születését jelentette, amely betekintést nyújt abba, hogyan lehet a sejteket hanggal gerjeszteni. Ezenkívül úgy gondolom, hogy eredményeink azt sugallják, hogy a sonogenetika sokféle sejttípus és sejtfunkció manipulálására alkalmazható.

C. elegans jó kiindulópont volt ennek a technológiának a kidolgozásához, mert az állat viszonylag egyszerű, csak 302 neuronja van. Ezek közül a TRP-4 csak nyolc idegsejtben található. Tehát más idegsejteket úgy irányíthatunk, hogy először TRP-4-et adunk hozzájuk, majd az ultrahangot pontosan ezekre a specifikus idegsejtekre irányítjuk.

De az emberek, ellentétben a férgekkel, nem rendelkeznek a TRP-4 génnel. Tehát az a tervem, hogy bevezessem a hangérzékeny fehérjét azokba a specifikus emberi sejtekbe, amelyeket ellenőrizni akarunk. Ennek a megközelítésnek az az előnye, hogy az ultrahang nem zavarja az emberi test más sejtjeit.

Jelenleg nem ismert, hogy a TRP-4-től eltérő fehérjék érzékenyek-e az ultrahangra. Az ilyen fehérjék azonosítása, ha vannak ilyenek, intenzív tanulmányozási terület a laboratóriumomban és a terepen.

A sonogenetikában az a legjobb, hogy ehhez nincs szükség agyi implantátumra. A sonogenetikához mesterségesen előállított vírusokat használunk - amelyek nem képesek szaporodni - genetikai anyag szállítására az agysejtekhez. Ez lehetővé teszi a sejtek számára, hogy hangérzékeny fehérjéket állítsanak elő. Ezt a módszert használták genetikai anyagot juttat az emberi vérbe és a szívizomsejtek disznókban.

A sonogenetika, bár még a fejlesztés nagyon korai szakaszában van, újszerű terápiás stratégiát kínál különböző mozgással kapcsolatos rendellenességek, köztük a Parkinson-kór, az epilepszia és a dyskinesia kezelésére. Mindezen betegségek esetén bizonyos agysejtek leállnak és megakadályozzák a normális mozgást. A sonogenetika lehetővé teheti az orvosok számára, hogy egy meghatározott helyen vagy időpontban be- vagy kikapcsolják az agysejteket, és agyi műtét nélkül kezeljék ezeket a mozgászavarokat.

Ahhoz, hogy ez működjön, az agy célterületét meg kell fertőzni a hangérzékeny fehérje génjeit hordozó vírussal. Ez történt egereknél, de embereknél még nem. A génterápia egyre jobb és pontosabb, és remélem, hogy más kutatók kitalálják, hogyan kell ezt megtenni, mire készen állunk a sonogenetikai technológiánkra.

A sonogenetika kiterjesztése

Megkaptuk jelentős támogatás ennek a technológiának az elősegítése érdekében ösztönözze a kezdeti tanulmányt, és hozzon létre egy interdiszciplináris csoportot.

További finanszírozással a Védelmi Haladó Kutatási Projektek Ügynökségétől ElectRx program, arra összpontosíthatunk, hogy megtaláljuk azokat a fehérjéket, amelyek segíthetnek az idegsejtek „kikapcsolásában”. Nemrégiben olyan fehérjéket fedeztünk fel, amelyek manipulálhatók az idegsejtek aktiválásához (publikálatlan munka). Ez döntő jelentőségű egy olyan terápiás stratégia kidolgozása szempontjából, amely felhasználható a központi idegrendszeri betegségek, például a Parkinson-kór kezelésére.

A Mimosa pudica növény levelének megérintése hajtogatási reakciót vált ki, amelynek következtében a levelek becsukódnak. A növény érzékeny az ultrahangra is, amely ugyanazt a reakciót válthatja ki:

Csapatunk a szonogenetikai technológia bővítésén is dolgozik. Most megfigyeltük, hogy bizonyos növények, például a „ne érj hozzám” (mimosa pudica), érzékenyek az ultrahangra. Ahogyan ismert, hogy ennek a növénynek a levelei összeomlanak és befelé hajlanak, amikor megérintik vagy megrázzák, az ultrahang-impulzusok alkalmazása egy elszigetelt ágra ugyanazt a választ váltja ki. Végül egy másik módszert fejlesztünk ki annak tesztelésére, hogy az ultrahang befolyásolhatja-e az anyagcsere folyamatokat, például az inzulin szekrécióját a hasnyálmirigy sejtjeiből.

A sonogenetika egy nap megkerülheti a gyógyszereket, megszüntetheti az invazív agyi műtétek szükségességét, és hasznos lehet a poszt-traumás stressz és mozgászavaroktól kezdve a krónikus fájdalomig terjedő állapotok esetén. A szonogenetika nagy lehetősége, hogy ez a technológia szinte bármilyen típusú sejt szabályozására alkalmazható: a hasnyálmirigy inzulintermelő sejtjétől a szív ingerléséig.

Reméljük, hogy a sonogenetika forradalmasítja az idegtudomány és az orvostudomány területét.

A szerzőről

Sreekanth Chalasani, A molekuláris neurobiológia docense (Salk Intézet) és a neurobiológia adjunktusa, University of California San Diego

Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.

könyvek_tudományok

Még szintén kedvelheted

ELÉRHETŐ NYELVEK

Angol Afrikaans arab Egyszerűsített kínai) Hagyományos kínai) dán holland filippínó finn francia német görög héber hindi magyar indonéz olasz japán koreai maláj norvég perzsa lengyel portugál román orosz spanyol szuahéli svéd thai török ukrán urdu vietnami

kövesse az InnerSelf oldalt

facebook ikonratwitter ikonrayoutube ikonrainstagram ikonrapintrest ikonrarss ikonra

 Szerezd meg a legújabb e-mailben

Heti magazin Napi inspiráció

Új hozzáállás - új lehetőségek

InnerSelf.comClimateImpactNews.com | InnerPower.net
MightyNatural.com | WholisticPolitics.com | InnerSelf piac
Copyright © 1985 - 2021 InnerSelf kiadványok. Minden jog fenntartva.