Ses dalgaları salınımlı bir ışıma ışığı olarak gösterilir. natrot / Shutterstock.com

Yanlış kalpte kalp pili yerleştirmek için ameliyat gerekmediyse? Kan şekeri seviyenizi bir insülin enjeksiyonu olmadan kontrol edebilir ya da bir düğmeye basmadan nöbetin başlangıcını azaltabilirseniz?

Ben ve bilim adamlarından oluşan bir ekip benim laboratuarım at Salk Enstitüsü sesleri kullanarak hücrelerin aktivitelerini noninazif olarak kontrol etme yeteneği olan, sonojenetik olarak bilinen yeni bir teknoloji geliştirerek bu zorluklarla mücadele ediyorlar.

Işıktan sese

Ben bir sinirbilimciyim beynin çevresel değişiklikleri nasıl algıladığını ve yanıt verdiğini anlamakla ilgileniyor. Sinirbilimciler her zaman canlı beyinlerdeki nöronları etkilemenin yollarını ararlar; böylece sonucu analiz edebilir ve hem beynin nasıl çalıştığını hem de beyin hastalıklarını nasıl daha iyi tedavi edebileceğimizi anlayabiliriz.

Bu özel değişiklikleri yaratmak, yeni araçların geliştirilmesini gerektirir. Son yirmi yıldır alanımdaki araştırmacılar için go-to-tool, optogenetik, ki bu da hayvanlarda tasarlanmış beyin hücreleri ışıkla kontrol edilir. Bu işlem, hedef bölgeye ışık vermek için hayvanın beyninin derinliklerine bir optik fiber yerleştirilmesini içerir.

Bu sinir hücreleri mavi ışığa maruz kaldığında, ışığa duyarlı protein aktive olur ve bu beyin hücrelerinin birbirleriyle iletişim kurmasına ve hayvanın davranışını değiştirmesine izin verir. Örneğin, Parkinson hastalığına sahip hayvanlar olabilir. istemsiz titremelerini ışık parlatarak tedavi ettiler Özel olarak tasarlanmış beyin hücrelerini ışığa duyarlı hale getirir. Ancak bariz dezavantajı, bu prosedürün cerrahi olarak beyne bir kablo yerleştirmesine bağlı olmasıdır - insanlara kolayca çevrilemeyen bir strateji.

Amacım beynin ışık kullanmadan nasıl idare edileceğini bulmaktı.

Ses kontrolü

Ultrasonun - insan işitme aralığının ötesindeki, invaziv olmayan ve güvenli olan ses dalgalarının hücreleri kontrol etmenin harika bir yolu olduğunu keşfettim. Ses bir mekanik enerji şekli olduğundan, beyin hücreleri mekanik olarak hassas hale getirilebiliyorsa, onları ultrason ile değiştirebileceğimizi düşündüm. Bu araştırma bizi keşfe götürdü. ilk doğal olarak oluşan protein mekanik detektörü Bu beyin hücrelerini ultrasona duyarlı kılıyordu.

Teknolojimiz iki aşamada çalışıyor. İlk önce, bir virüs olarak dağıtım aygıtı olarak işlev gören beyin hücrelerine yeni genetik materyaller eklenmiştir. Bu, bu hücrelerin ultrasona duyarlı proteinler üretmesi için talimatlar sağlar.

Bir sonraki adım, sese duyarlı proteinlerle hücreleri hedef alan, hayvan vücudunun dışındaki bir cihazdan ultrason darbeleri yaymaktır. Ultrason nabzı, hücreleri uzaktan aktive eder.

Ses frekansı, infrared, duyulabilir ve ultrason dalgaları ile bunları duyabilen hayvanlar için değişmektedir. İnsanlar yalnızca 20 Hz ve 20,000 Hz arasında duyabilirler. Designua / Shutterstock.com

Solucanlardaki Kanıt

Nasıl olduğunu ilk gösteren bizdik sonojenetik nöronları aktive etmek için kullanılabilir Mikroskobik bir solucan denilen Caenorhabditis elegans.

Genetik teknikleri kullanarak, solucanın bazı nöronlarında bulunan - ultrason basıncı değişikliklerine duyarlı olan TRP-4 adlı doğal olarak oluşan bir protein tanımladık. Ultrasonik aralıkta meydana gelen ses basıncı dalgaları, insan işitme için normal eşiğin üstündedir. Yarasalar, balinalar ve hatta güveler dahil bazı hayvanlar bu ultrasonik frekanslarda iletişim kurabilir, ancak deneylerimizde kullanılan frekanslar, bu hayvanların bile tespit edebileceğinin ötesine geçmektedir.

Ekibim ve ben TRP-4 proteinli nöronların ultrasonik frekanslara duyarlı olduklarını gösterdik. Bu frekanslardaki ses dalgaları solucanın davranışını değiştirdi. Solucanın 302 nöronlarının ikisini genetik olarak değiştirdik ve TRP-4 genini ekledik. önceki çalışmalardan biliyorduk mechanosensation ile yer aldı.

Ultrason darbelerinin bir solucan uzaktan kumandası kullanıyormuşuz gibi solucanların solucan yönünü nasıl değiştirebileceğini gösterdik. Bu gözlemler, ultrasonu canlı hayvanlarda beyin işlevini beyne bir şey eklemeden incelemede bir araç olarak kullanabileceğimizi kanıtladı.

Ultrason darbesini, sese duyarlı protein taşıyan solucana göndermek, yön değiştirmesine neden olur:

{vembed Y=vLOqvBG6x-E}

Sonogenetiğin avantajları

Bu ilk bulgu, hücrelerin sesle nasıl heyecanlandırılabileceği konusunda fikir veren yeni bir tekniğin doğuşuna işaret ediyordu. Ek olarak, sonuçlarımızın, çok çeşitli hücre tiplerini ve hücresel fonksiyonları manipüle etmek için sonogenetiğin uygulanabileceğini öne sürdüğüne inanıyorum.

C. elegans bu teknolojiyi geliştirmek için iyi bir başlangıç ​​noktasıydı, çünkü hayvan sadece 302 nöronlarıyla oldukça basittir. Bunlardan TRP-4 sadece sekiz nörondadır. Bu yüzden önce TRP-4'i ekleyerek ve sonra da ultrasonu tam olarak bu spesifik nöronlara yönlendirerek diğer nöronları kontrol edebiliriz.

Fakat insanlar, solucanların aksine, TRP-4 genine sahip değillerdir. Bu yüzden benim planım, sese duyarlı proteini kontrol etmek istediğimiz spesifik insan hücrelerine tanıtmak. Bu yaklaşımın avantajı, ultrasonun insan vücudundaki diğer hücrelere müdahale etmemesidir.

Şu anda TRP-4 dışındaki proteinlerin ultrasona duyarlı olup olmadığı bilinmemektedir. Varsa, bu tür proteinleri tanımlamak laboratuvarımda ve alanımda yoğun bir çalışma alanıdır.

Sonojenetik hakkındaki en iyi bölüm, beyin implantı gerektirmemesidir. Sonojenetik için, beyin hücrelerine genetik materyal iletmek için yapay olarak tasarlanan virüsleri (kopyalayamayan) kullanıyoruz. Bu, hücrelerin sese duyarlı proteinler üretmesini sağlar. Bu yöntem kullanılmıştır İnsan kanına genetik materyal iletmek ve kalp kası hücreleri domuzlarda.

Sonogenetics, gelişimin henüz çok erken aşamalarında olmasına rağmen, Parkinson, epilepsi ve diskinezi dahil olmak üzere hareketle ilgili çeşitli bozukluklar için yeni bir terapötik strateji sunar. Tüm bu hastalıklarda, bazı beyin hücreleri çalışmayı durdurur ve normal hareketleri önler. Sonogenetics doktorların belirli bir yerde veya zamanda beyin hücrelerini açmasını veya kapatmasını ve bu hareket bozukluklarını beyin ameliyatı olmadan tedavi etmesini sağlayabilir.

Bunun çalışması için, beynin hedef bölgesinin sese duyarlı protein için genleri taşıyan virüsle enfekte olması gerekir. Bu farelerde yapıldı ancak henüz insanlarda yapılmadı. Gen terapisi gittikçe daha kesinleşiyor ve diğer araştırmacıların sonojenetik teknolojimizle hazır olduğumuzda bunun nasıl yapılacağını çözeceğini umuyorum.

Sonojenetiğin genişletilmesi

Biz aldık önemli destek Bu teknolojiyi ilerletmek için ilk çalışmayı yaklaştırın ve disiplinlerarası bir ekip oluşturun.

Ek finansman ile Savunma Gelişmiş Araştırma Projeleri Ajansı'ndan ElectRx programıNöronları “kapatmamıza” yardımcı olabilecek proteinler bulmaya odaklanabiliriz. Son zamanlarda nöronları aktive etmek için manipüle edilebilecek proteinleri keşfettik (yayınlanmamış çalışma). Bu, Parkinson gibi merkezi sinir sistemi hastalıklarını tedavi etmek için kullanılabilecek terapötik bir strateji geliştirmek için çok önemlidir.

Mimosa pudica bitkisinin yaprağına dokunmak, yaprakların kapanmasına neden olan katlama tepkisi tetikler. Bitki aynı reaksiyonu tetikleyebilen ultrasona da duyarlıdır:

{vücut Y=7lP35rsQu8c}

Ekibimiz ayrıca sonojenetik teknolojiyi genişletmek için çalışıyor. Şimdi “dokunma bana” gibi bazı bitkilerin gözlendiğini gördük (Mimoza pudica), ultrasona duyarlıdır. Tıpkı bu bitkinin yapraklarının dokunulduğunda veya sallandığında içe doğru daraldığı ve katlandığı biliniyorsa, izole bir dala ultrason darbeleri uygulamak aynı cevabı verir. Son olarak, ultrasonun pankreas hücrelerinden insülin sekresyonu gibi metabolik süreçleri etkileyip etkilemediğini test etmek için farklı bir yöntem geliştiriyoruz.

Sonogenetics bir gün ilaçları alt edebilir, beyin ameliyatlarına olan ihtiyacı ortadan kaldırır ve travma sonrası stres bozukluğu ve hareket bozukluklarından kronik ağrıya kadar değişen durumlar için faydalı olabilir. Sonojenetik için büyük potansiyel, bu teknolojinin neredeyse her tür hücreyi kontrol etmek için uygulanabileceğidir: pankreastaki insülin üreten bir hücreden bir kalbe pacing.

Umudumuz, sonojenetiğin sinirbilim ve tıp alanlarında devrim yaratmasıdır.

Yazar Hakkında

Sreekanth ChalasaniMoleküler Nörobiyoloji (Salk Enstitüsü) Doçenti ve Nörobiyoloji Anabilim Dalı Yardımcı Doçenti, California San Diego Üniversitesi

Bu makale şu adresten yeniden yayınlandı: Konuşma Creative Commons lisansı altında. Okumak Orijinal makale.