Raziskovalci so določili beljakovino sesalcev, občutljivo za zvok, ki jim omogoča, da z ultrazvokom aktivirajo možganske, srčne ali druge celice
Datum: 9. februar 2022
Vir: Inštitut Salk
Povzetek:
Znanstveniki so ustvarili celice sesalcev, ki jih je mogoče aktivirati z ultrazvokom. Metoda utira pot neinvazivnim različicam globoke možganske stimulacije, srčnih spodbujevalnikov in inzulinskih črpalk.
Salkovi znanstveniki so izdelali celice sesalcev, ki jih je mogoče aktivirati z ultrazvokom. Metoda, ki jo je ekipa uporabila za aktivacijo človeških celic v posodi in možganskih celic v živih miših, utira pot neinvazivnim različicam globoke možganske stimulacije, srčnih spodbujevalnikov in inzulinskih črpalk. Ugotovitve so bile objavljene v Nature Communications 9. februarja 2022.
"Brezžično povezovanje je prihodnost za skoraj vse," pravi glavni avtor Sreekanth Chalasani, izredni profesor v Salkovem laboratoriju za molekularno nevrobiologijo. "Vemo že, da je ultrazvok varen in da lahko prodre skozi kosti, mišice in druga tkiva, zato je najboljše orodje za manipulacijo celic globoko v telesu."
Pred približno desetimi leti je Chalasani kot prvi predstavil zamisel o uporabi ultrazvočnih valov za stimulacijo posebnih skupin genetsko označenih celic in za opis te zamisli skoval izraz "sonogenetika". Leta 2015 je njegova skupina dokazala, da je pri glistah Caenorhabditis elegans, beljakovina, imenovana TRP-4, naredi celice občutljive na nizkofrekvenčni ultrazvok. Ko so raziskovalci dodali TRP-4 C. elegans nevronov, ki ga običajno niso imeli, so lahko te celice aktivirali z ultrazvokom - enakimi zvočnimi valovi, kot se uporabljajo pri medicinskih sonogramih.
Ko so raziskovalci poskusili dodati beljakovino TRP-4 celicam sesalcev, pa se te niso mogle odzvati na ultrazvok. Poročali so o nekaj beljakovinah sesalcev, ki so občutljive na ultrazvok, vendar se nobena ni zdela idealna za klinično uporabo. Zato so Chalasani in njegovi sodelavci poiskali novo beljakovino za sesalce, zaradi katere bi bile celice zelo občutljive na ultrazvok pri frekvenci 7 MHz, ki velja za optimalno in varno frekvenco.
"Naš pristop se je razlikoval od prejšnjih pregledov, saj smo se odločili za celovito iskanje kanalov, občutljivih na ultrazvok," pravi Yusuf Tufail, nekdanji projektni znanstvenik pri Salku in eden od prvih avtorjev novega članka.
Raziskovalci so običajni liniji človeških raziskovalnih celic (HEK), ki se običajno ne odziva na ultrazvok, dodali na stotine različnih proteinov, enega za drugim. Nato so vsako celično kulturo postavili pod nastavitev, ki jim je omogočala spremljanje sprememb celic ob stimulaciji z ultrazvokom.
Po več kot enoletnem preverjanju proteinov in prebiranju skoraj 300 kandidatov so znanstveniki končno našli enega, ki je omogočil, da so bile celice HEK občutljive na ultrazvok s frekvenco 7 MHz. Znano je bilo, da kanalska beljakovina TRPA1 omogoča celicam, da se odzovejo na prisotnost škodljivih spojin in aktivirajo vrsto celic v človeškem telesu, vključno z možganskimi in srčnimi celicami.
Chalasanijeva ekipa pa je odkrila, da se kanal odpre tudi kot odziv na ultrazvok v celicah HEK.
"Bili smo zelo presenečeni," pravi eden od prvih avtorjev članka Marc Duque, študent na izmenjavi pri Salku. "TRPA1 je bil v literaturi dobro raziskan, vendar ni bil opisan kot klasičen mehansko občutljiv protein, za katerega bi pričakovali, da se bo odzval na ultrazvok."
Da bi preizkusili, ali lahko kanal aktivira druge vrste celic kot odziv na ultrazvok, je ekipa uporabila metodo genskega zdravljenja, s katero je gen za človeški TRPA1 dodala določeni skupini nevronov v možganih živih miši. Ko so nato mišim dajali ultrazvok, so se aktivirali le nevroni z geni TRPA1.
Zdravniki, ki zdravijo bolezni, kot sta Parkinsonova bolezen in epilepsija, trenutno uporabljajo globoko možgansko stimulacijo, ki vključuje kirurško vsaditev elektrod v možgane za aktiviranje določenih podskupin nevronov. Chalasani pravi, da bi lahko sonogenetika nekega dne nadomestila ta pristop - naslednji korak bi bil razvoj metode prenosa genske terapije, ki bi lahko prešla krvno-možgansko pregrado, kar se že preučuje.
Pravi, da bi lahko sonogenetiko morda že prej uporabili za aktiviranje celic v srcu kot nekakšen spodbujevalnik, ki ga ni treba vsaditi. "Za vnos novega gena, kot je TRPA1, v človeško srce že obstajajo tehnike prenosa genov," pravi Chalasani. "Če lahko nato z zunanjo ultrazvočno napravo aktiviramo te celice, bi to lahko pomenilo pravo revolucijo pri srčnih spodbujevalnikih."
Njegova ekipa za zdaj opravlja bolj osnovno delo, da bi natančno ugotovila, kako TRPA1 zaznava ultrazvok. "Da bi bila ta ugotovitev bolj uporabna za prihodnje raziskave in klinično uporabo, upamo, da bomo natančno določili, kateri deli TRPA1 prispevajo k občutljivosti za ultrazvok, in jih prilagodili za povečanje te občutljivosti," pravi Corinne Lee-Kubli, soavtorica članka in nekdanja podoktorska sodelavka pri Salku.
Prav tako nameravajo opraviti še en pregled za beljakovine, občutljive na ultrazvok - tokrat bodo iskali beljakovine, ki lahko zavirajo ali izklopijo aktivnost celice kot odziv na ultrazvok.
Drugi avtorji prispevka so Uri Magaram, Janki Patel, Ahana Chakraborty, Jose Mendoza Lopez, Eric Edsinger, Rani Shiao in Connor Weiss iz univerze Salk ter Aditya Vasan in James Friend iz univerze UC San Diego.
Delo so podprli National Institutes of Health (R01MH111534, R01NS115591), Brain Research Foundation, Kavli Institute of Brain and Mind, Life Sciences Research Foundation, W.M. Keck Foundation (SERF) ter Waitt Advanced Biophotonics in GT3 Cores (ki prejemata sredstva iz NCI CCSG P30014195 in NINDSR24).
Vir zgodbe:
Materiali ki ga zagotavlja Inštitut Salk. Opomba: Vsebina se lahko uredi glede na slog in dolžino.
Sorodne večpredstavnostne vsebine:
Sklic na revijo:
- Marc Duque, Corinne A. Lee-Kubli, Yusuf Tufail, Uri Magaram, Janki Patel, Ahana Chakraborty, Jose Mendoza Lopez, Eric Edsinger, Aditya Vasan, Rani Shiao, Connor Weiss, James Friend, Sreekanth H. Chalasani. Sonogenetski nadzor sesalskih celic z uporabo eksogenih kanalov tranzitornega receptorskega potenciala A1. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 1038/s41467-022-28205-y
