คลื่นเสียงจะแสดงเป็นแสงเรืองแสงสั่น natrot / Shutterstock.com

ถ้าคุณไม่จำเป็นต้องผ่าตัดเพื่อปลูกถ่ายเครื่องกระตุ้นหัวใจด้วยหัวใจที่ผิดปกติล่ะ? จะเป็นอย่างไรถ้าคุณสามารถควบคุมระดับน้ำตาลในเลือดโดยไม่ต้องฉีดอินซูลินหรือลดการเกิดอาการชักโดยไม่ต้องกดปุ่ม

ฉันและทีมนักวิทยาศาสตร์ใน ห้องปฏิบัติการของฉัน ที่ สถาบันซอล์ค กำลังจัดการกับความท้าทายเหล่านี้โดยการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ที่เรียกว่า sonogenetics ความสามารถในการควบคุมกิจกรรมของเซลล์โดยใช้เสียง

จากแสงเป็นเสียง

ฉันเป็นนักประสาทวิทยา สนใจในการทำความเข้าใจว่าสมองตรวจพบการเปลี่ยนแปลงด้านสิ่งแวดล้อมและตอบสนองอย่างไร นักประสาทวิทยามักจะมองหาวิธีที่จะมีอิทธิพลต่อเซลล์ประสาทในสมองที่มีชีวิตเพื่อให้เราสามารถวิเคราะห์ผลลัพธ์และทำความเข้าใจกับวิธีการทำงานของสมองนั้นและวิธีการรักษาความผิดปกติของสมองได้ดีขึ้น

การสร้างการเปลี่ยนแปลงเฉพาะเหล่านี้จำเป็นต้องมีการพัฒนาเครื่องมือใหม่ ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมาเครื่องมือที่มุ่งสู่นักวิจัยในสาขาของฉันคือออพโทเจเนติกส์ซึ่งเป็นเทคนิคที่ เซลล์สมองเชิงวิศวกรรมในสัตว์นั้นถูกควบคุมด้วยแสง. กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการใส่ใยแก้วนำแสงในสมองของสัตว์เพื่อส่งแสงไปยังพื้นที่เป้าหมาย

เมื่อเซลล์ประสาทเหล่านี้สัมผัสกับแสงสีน้ำเงินโปรตีนที่ไวต่อแสงจะถูกเปิดใช้งานทำให้เซลล์สมองเหล่านั้นสามารถสื่อสารซึ่งกันและกันและปรับเปลี่ยนพฤติกรรมของสัตว์ ตัวอย่างเช่นสัตว์ที่เป็นโรคพาร์คินสันสามารถ หายจากแรงสั่นสะเทือนโดยไม่สมัครใจโดยการส่องแสง บนเซลล์สมองที่ได้รับการออกแบบเป็นพิเศษทำให้ไวต่อแสง แต่ข้อเสียเปรียบที่เห็นได้ชัดคือกระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับการปลูกฝังสายเคเบิลในสมองซึ่งเป็นกลยุทธ์ที่ไม่สามารถแปลเป็นคนได้ง่าย

เป้าหมายของฉันคือหาวิธีจัดการสมองโดยไม่ใช้แสง

การควบคุมเสียง

ฉันค้นพบว่าอัลตร้าซาวด์ - คลื่นเสียงที่อยู่เหนือขอบเขตการได้ยินของมนุษย์ซึ่งไม่อันตรายและปลอดภัย - เป็นวิธีที่ดีในการควบคุมเซลล์ เนื่องจากเสียงเป็นรูปแบบของพลังงานกลฉันคิดว่าหากเซลล์สมองสามารถทำให้ไวต่อกลไกได้ดังนั้นเราจึงสามารถดัดแปลงพวกมันด้วยอัลตร้าซาวด์ การวิจัยครั้งนี้ทำให้เราค้นพบ เครื่องตรวจจับเชิงกลโปรตีนเกิดขึ้นตามธรรมชาติเป็นครั้งแรก ทำให้เซลล์สมองไวต่ออุลตร้าซาวด์

เทคโนโลยีของเราทำงานในสองขั้นตอน ก่อนอื่นเราแนะนำสารพันธุกรรมใหม่เข้าสู่เซลล์สมองที่ผิดปกติโดยใช้ไวรัสเป็นอุปกรณ์นำส่ง นี่เป็นคำแนะนำสำหรับเซลล์เหล่านี้ในการสร้างโปรตีนที่ตอบสนองต่ออัลตราซาวนด์

ขั้นตอนต่อไปคือการเปล่งคลื่นอัลตร้าซาวด์จากอุปกรณ์ภายนอกร่างกายของสัตว์โดยกำหนดเป้าหมายเซลล์ด้วยโปรตีนที่ไวต่อเสียง ชีพจรอัลตร้าซาวด์จะกระตุ้นเซลล์จากระยะไกล

ช่วงความถี่เสียงสำหรับคลื่นเสียงอินฟาเรดเสียงและคลื่นอัลตร้าซาวด์และสัตว์ที่สามารถได้ยินเสียงได้ ผู้คนสามารถได้ยินได้เฉพาะระหว่าง 20 Hz และ 20,000 Hz Designua / Shutterstock.com

พิสูจน์ในเวิร์ม

เราเป็นคนแรกที่แสดงให้เห็นว่า sonogenetics สามารถใช้เพื่อกระตุ้นเซลล์ประสาท ในหนอนขนาดเล็กที่เรียกว่า Caenorhabditis elegans.

ใช้เทคนิคทางพันธุกรรมเราระบุโปรตีนที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติที่เรียกว่า TRP-4 ซึ่งมีอยู่ในเซลล์ประสาทของหนอนบางตัว - ซึ่งมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงความดันอัลตร้าซาวด์ คลื่นความดันเสียงที่เกิดขึ้นในช่วงอัลตราโซนิกอยู่เหนือเกณฑ์ปกติสำหรับการได้ยินของมนุษย์ สัตว์บางชนิดรวมถึงค้างคาวปลาวาฬและผีเสื้อกลางคืนสามารถสื่อสารได้ที่ความถี่ล้ำเสียงเหล่านี้ แต่ความถี่ที่ใช้ในการทดลองของเรานั้นเกินกว่าที่สัตว์เหล่านี้สามารถตรวจจับได้

ทีมของฉันและฉันแสดงให้เห็นว่าเซลล์ประสาทที่มีโปรตีน TRP-4 นั้นไวต่อความถี่ล้ำเสียง คลื่นเสียงที่ความถี่เหล่านี้เปลี่ยนพฤติกรรมของหนอน เราทำการดัดแปลงพันธุกรรมของ 302 ของเซลล์ประสาทสองตัวและเพิ่ม TRP-4 ที่ เรารู้จากการศึกษาก่อนหน้านี้ มีส่วนเกี่ยวข้องกับ mechanosensation

เราแสดงให้เห็นว่าพัลส์อัลตราซาวด์สามารถทำให้เวิร์มเปลี่ยนทิศทางได้อย่างไรราวกับว่าเราใช้รีโมทคอนโทรลของเวิร์ม การสังเกตเหล่านี้พิสูจน์ว่าเราสามารถใช้อัลตร้าซาวด์เป็นเครื่องมือในการศึกษาการทำงานของสมองในสัตว์มีชีวิตได้โดยไม่ต้องใส่อะไรเข้าไปในสมอง

การส่งคลื่นอัลตร้าซาวด์ไปยังหนอนที่มีโปรตีนที่ไวต่อเสียงทำให้เกิดการเปลี่ยนทิศทาง:

{ชื่อ Y=vLOqvBG6x-E}

ข้อดีของ sonogenetics

การค้นพบครั้งแรกนี้แสดงให้เห็นถึงการเกิดของเทคนิคใหม่ที่นำเสนอข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับวิธีที่เซลล์สามารถตื่นเต้นด้วยเสียง นอกจากนี้ฉันเชื่อว่าผลลัพธ์ของเราแนะนำว่า sonogenetics สามารถนำไปใช้เพื่อจัดการกับชนิดของเซลล์และฟังก์ชั่นโทรศัพท์มือถือที่หลากหลาย

C. elegans เป็นจุดเริ่มต้นที่ดีสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีนี้เพราะสัตว์นั้นค่อนข้างง่ายด้วยเซลล์ประสาท 302 เท่านั้น ของเหล่านี้ TRP-4 อยู่ในเซลล์ประสาทเพียงแปด ดังนั้นเราสามารถควบคุมเซลล์ประสาทอื่น ๆ ได้โดยเพิ่ม TRP-4 ลงไปก่อนแล้วจึงควบคุมอัลตร้าซาวด์ได้อย่างแม่นยำที่เซลล์ประสาทเฉพาะเหล่านี้

แต่มนุษย์ซึ่งแตกต่างจากหนอนไม่มียีน TRP-4 ดังนั้นแผนของฉันคือการนำโปรตีนที่ไวต่อเสียงเข้าสู่เซลล์ของมนุษย์ที่เราต้องการควบคุม ข้อดีของวิธีนี้คืออัลตร้าซาวด์จะไม่รบกวนเซลล์อื่น ๆ ในร่างกายมนุษย์

ปัจจุบันยังไม่ทราบว่าโปรตีนชนิดอื่นที่ไม่ใช่ TRP-4 นั้นไวต่อการอัลตราซาวด์หรือไม่ การระบุโปรตีนดังกล่าวถ้ามีจะเป็นพื้นที่ของการศึกษาที่เข้มข้นในห้องปฏิบัติการและในไร่ของฉัน

ส่วนที่ดีที่สุดเกี่ยวกับ sonogenetics ก็คือมันไม่จำเป็นต้องฝังสมอง สำหรับ sonogenetics เราใช้ไวรัสที่ได้รับการดัดแปลงทางวิศวกรรมซึ่งไม่สามารถจำลองได้เพื่อส่งสารพันธุกรรมไปยังเซลล์สมอง สิ่งนี้ช่วยให้เซลล์ผลิตโปรตีนที่ไวต่อเสียง วิธีนี้ถูกใช้เพื่อ ส่งสารพันธุกรรมสู่เลือดของมนุษย์ และ เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ ในหมู

Sonogenetics แม้จะยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา แต่ก็มีกลยุทธ์การรักษาแบบใหม่สำหรับโรคที่เกี่ยวกับการเคลื่อนไหวต่าง ๆ รวมถึงโรคพาร์คินสันโรคลมชักและดายสกิน ในทุกโรคเหล่านี้เซลล์สมองบางหยุดการทำงานและป้องกันการเคลื่อนไหวปกติ Sonogenetics สามารถช่วยให้แพทย์สามารถเปิดหรือปิดเซลล์สมองในสถานที่หรือเวลาที่เฉพาะเจาะจงและรักษาความผิดปกติของการเคลื่อนไหวเหล่านี้โดยไม่ต้องผ่าตัดสมอง

เพื่อให้สิ่งนี้ทำงานได้พื้นที่เป้าหมายของสมองจะต้องได้รับเชื้อไวรัสที่มียีนที่มีโปรตีนที่ไวต่อเสียง สิ่งนี้ทำในหนู แต่ยังไม่มีในมนุษย์ การบำบัดด้วยยีนกำลังดีขึ้นและแม่นยำยิ่งขึ้นและฉันหวังว่านักวิจัยคนอื่นจะรู้วิธีการทำสิ่งนี้ในเวลาที่เราพร้อมกับเทคโนโลยี sonogenetic ของเรา

การขยายคลื่นเสียง

เราได้รับแล้ว การสนับสนุนที่สำคัญ เพื่อความก้าวหน้าของเทคโนโลยีนี้เชื้อเพลิงการศึกษาเบื้องต้นและสร้างทีมสหวิทยาการ

ด้วยการระดมทุนเพิ่มเติม จากหน่วยงานโครงการวิจัยขั้นสูงกลาโหม โปรแกรม ElectRxเราสามารถมุ่งเน้นไปที่การค้นหาโปรตีนที่สามารถช่วยเรา "ปิด" เซลล์ประสาท เมื่อเร็ว ๆ นี้เราค้นพบโปรตีนที่สามารถจัดการเพื่อเปิดใช้งานเซลล์ประสาท (งานที่ไม่ได้เผยแพร่) นี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการพัฒนากลยุทธ์การรักษาที่สามารถใช้รักษาโรคระบบประสาทส่วนกลางเช่นพาร์กินสัน

การสัมผัสใบของพืช Mimosa pudica ทำให้เกิดการตอบสนองการพับที่ทำให้ใบไม้ปิด พืชมีความไวต่ออัลตร้าซาวด์ซึ่งสามารถกระตุ้นปฏิกิริยาเดียวกัน:

{เวมเบด Y=7lP35rsQu8c}

ทีมของเรากำลังทำงานเพื่อขยายเทคโนโลยี sonogenetic ตอนนี้เราได้สังเกตเห็นแล้วว่าพืชบางชนิดเช่น "แตะฉันไม่ได้" (Mimosa pudica) มีความไวต่ออัลตราซาวด์ เช่นเดียวกับที่ใบของพืชชนิดนี้เป็นที่รู้กันว่ายุบตัวลงและพับเข้าด้านในเมื่อถูกสัมผัสหรือสั่นไหวการใช้คลื่นอัลตร้าซาวด์ไปยังกิ่งที่แยกได้สร้างการตอบสนองแบบเดียวกัน ในที่สุดเรากำลังพัฒนาวิธีการที่แตกต่างกันเพื่อทดสอบว่าอัลตราซาวนด์สามารถมีผลต่อกระบวนการเผาผลาญเช่นการหลั่งอินซูลินจากเซลล์ตับอ่อน

วันหนึ่ง Sonogenetics สามารถหลีกเลี่ยงการใช้ยาลบความจำเป็นในการผ่าตัดสมองที่รุกรานและมีประโยชน์สำหรับเงื่อนไขตั้งแต่ความผิดปกติของความเครียดหลังความเจ็บปวดและความผิดปกติของการเคลื่อนไหวไปจนถึงอาการปวดเรื้อรัง ศักยภาพที่ยิ่งใหญ่สำหรับ sonogenetics คือเทคโนโลยีนี้สามารถนำไปใช้ควบคุมเซลล์เกือบทุกประเภท: จากเซลล์ที่ผลิตอินซูลินในตับอ่อนไปจนถึงการเดินไปเดินมาหัวใจ

ความหวังของเราคือ sonogenetics ปฏิวัติด้านประสาทวิทยาศาสตร์และการแพทย์

เกี่ยวกับผู้เขียน

ภาษากรีกรองศาสตราจารย์วิชาอณูชีววิทยา (สถาบัน Salk) และผู้ช่วยผู้ช่วยศาสตราจารย์วิชาชีววิทยา มหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียซานดิเอโก

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.