امواج صوتی به عنوان یک چراغ درخشان نوسان نمایش داده می شوند. natrot / Shutterstock.com

اگر نیازی به جراحی برای کاشت یک ضربان ساز در قلب معیوب ندارید ، چه می کنید؟ اگر می توانید سطح قند خون خود را بدون تزریق انسولین کنترل کنید ، یا شروع فشار خون را حتی بدون فشار دادن دکمه کاهش دهید؟

من و تیمی از دانشمندان در آزمایشگاه من در موسسه سالک با توسعه فناوری جدید موسوم به سونوژنتیک ، توانایی کنترل غیرتهاجمی فعالیت سلولها با استفاده از صدا ، با این چالش ها مقابله می کنیم.

از نور تا صدا

من متخصص علوم اعصاب هستم علاقه مند به درک چگونگی تشخیص مغز تغییرات محیطی و پاسخ آنهاست. دانشمندان علوم اعصاب همواره به دنبال راه هایی برای تأثیرگذاری نورون ها در مغزهای زنده هستند تا بتوانیم نتیجه را تجزیه و تحلیل کنیم و هم نحوه عملکرد مغز را بفهمیم و هم چگونه بهتر بتوانیم اختلالات مغزی را درمان کنیم.

ایجاد این تغییرات خاص نیازمند توسعه ابزارهای جدید است. برای دو دهه گذشته ابزار برو به محققان حوزه من نوری بوده است ، روشی که در آن استفاده شده است سلولهای مغزی مهندسی شده در حیوانات با نور کنترل می شوند. این فرایند شامل قرار دادن فیبر نوری در اعماق مغز حیوان برای انتقال نور به منطقه مورد نظر است.

هنگامی که این سلولهای عصبی در معرض نور آبی قرار دارند ، پروتئین حساس به نور فعال می شود و به آن سلول های مغزی امکان برقراری ارتباط با یکدیگر و تغییر رفتار حیوان را می دهد. به عنوان مثال ، حیوانات مبتلا به پارکینسون می توانند باشند با درخشش نور ، از لرزه‌های غیر ارادی آنها درمان شد بر روی سلولهای مغزی که بطور خاص مهندسی شده اند و آنها را به نور حساس می کند. اما اشکال بارز این است که این روش بستگی به عمل جراحی کابل به مغز دارد - راهکاری که به راحتی قابل ترجمه در افراد نیست.

هدف من فهمیدن چگونگی دستکاری مغز بدون استفاده از نور بود.

کنترل صدا

من فهمیدم که سونوگرافی - امواج صوتی فراتر از دامنه شنوایی انسان ، که غیر تهاجمی و ایمن هستند - یک راه عالی برای کنترل سلول ها است. از آنجا که صدا نوعی انرژی مکانیکی است ، تصور می کردم اگر سلول های مغزی می توانند از نظر مکانیکی حساس شوند ، می توانیم آنها را با سونوگرافی اصلاح کنیم. این تحقیق ما را به کشف آن سوق داد اولین بار آشکارساز مکانیکی پروتئین به طور طبیعی رخ می دهد سلولهای مغزی نسبت به سونوگرافی حساس بودند.

فناوری ما در دو مرحله کار می کند. ابتدا مواد ژنتیکی جدیدی را با استفاده از ویروس به عنوان وسیله زایمان به سلولهای مغزی ناقص می رسانیم. این دستورالعمل هایی را برای این سلول ها در ساخت پروتئین های پاسخ دهنده سونوگرافی فراهم می کند.

مرحله بعدی ، انتشار پالسهای سونوگرافی از دستگاه خارج از بدن حیوان است که سلول ها را با پروتئین های حساس به صدا هدف قرار می دهد. پالس سونوگرافی از راه دور سلول ها را فعال می کند.

فرکانس صدا برای امواج فراصوت ، شنیداری و سونوگرافی و حیواناتی که می توانند آنها را بشنوند محدوده دارد. افراد فقط می توانند بین 20 هرتز و 20,000 هرتز را بشنوند. Designua / Shutterstock.com

اثبات کرم ها

ما اولین نفری بودیم که چگونه نشان دادیم از سونوژنتیک می توان برای فعال کردن نورونها استفاده کرد در کرم میکروسکوپی به نام Caenorhabditis elegans.

با استفاده از تکنیک های ژنتیکی ، ما یک پروتئین طبیعی به نام TRP-4 را شناسایی کردیم - که در برخی از نورون های کرم وجود دارد - که به تغییرات فشار سونوگرافی حساس است. امواج فشار صوتی که در محدوده اولتراسونیک رخ می دهند ، بالاتر از حد آستانه طبیعی برای شنوایی انسان هستند. برخی از حیوانات از جمله خفاش ها ، نهنگ ها و حتی پروانه ها می توانند در این فرکانس های مافوق صوت ارتباط برقرار کنند ، اما فرکانس های مورد استفاده در آزمایش های ما فراتر از چیزی است که حتی این حیوانات می توانند تشخیص دهند.

من و تیمم نشان دادیم که نورونهایی با پروتئین TRP-4 نسبت به فرکانس های اولتراسونیک حساس هستند. امواج صوتی در این فرکانسها رفتار کرم را تغییر دادند. ما به طور ژنتیکی دو مورد از سلولهای عصبی 302 کرم را تغییر دادیم و ژن TRP-4 را اضافه کردیم که ما از مطالعات قبلی می دانستیم درگیر مکانیزاسیون بود.

ما نشان دادیم كه چگونه پالسهای اولتراسوند می توانند كرمها را تغییر دهند ، گویی كه از كنترل از راه دور كرم استفاده می كنیم. این مشاهدات ثابت کرد که ما می توانیم از سونوگرافی به عنوان ابزاری برای بررسی عملکرد مغز در حیوانات زنده و بدون وارد کردن چیزی به مغز استفاده کنیم.

ارسال پالس سونوگرافی به کرم حامل پروتئین های حساس به صدا باعث تغییر جهت می شود:

{vembed Y = vLOqvBG6x-E}

مزایای سونوژنتیک

این یافته اولیه تولد یک تکنیک جدید را نشان می دهد که بینش چگونگی تحریک سلول ها از طریق صدا را نشان می دهد. علاوه بر این ، من معتقدم که نتایج ما نشان می دهد که سونوژنتیک را می توان برای دستکاری طیف گسترده ای از انواع سلول ها و عملکردهای سلولی استفاده کرد.

C. elegans نقطه شروع خوبی برای توسعه این فن آوری بود زیرا حیوان نسبتاً ساده و تنها دارای نورون 302 است. از این میان ، TRP-4 تنها در هشت نورون است. بنابراین می توانیم نورون های دیگر را با اضافه کردن TRP-4 به آنها و سپس هدایت سونوگرافی دقیقاً در این نورون های خاص کنترل کنیم.

اما انسانها ، برخلاف کرم ها ، ژن TRP-4 را ندارند. بنابراین برنامه من معرفی پروتئین حساس به صدا در سلول های خاص انسانی است که می خواهیم کنترل کنیم. مزیت این روش این است که سونوگرافی با سلولهای دیگر بدن انسان اختلال ایجاد نمی کند.

در حال حاضر مشخص نیست پروتئین های غیر از TRP-4 به سونوگرافی حساس هستند یا خیر. شناسایی چنین پروتئین ها ، در صورت وجود ، منطقه مورد مطالعه شدید در آزمایشگاه من و این زمینه است.

بهترین بخش در مورد سونوژنتیک این است که به کاشت مغز احتیاج ندارد. برای سونوژنتیک ، ما از ویروس های مهندسی شده مصنوعی - که قادر به تکثیر نیستند - برای انتقال مواد ژنتیکی به سلول های مغزی استفاده می کنیم. این به سلولها اجازه می دهد پروتئین های حساس به صدا تولید کنند. این روش قبلاً استفاده شده است مواد ژنتیکی را به خون انسان تحویل دهید و سلولهای عضلانی قلب در خوک ها

سونوژنتیک ، اگرچه هنوز در مراحل اولیه رشد است ، یک استراتژی درمانی جدید برای اختلالات مختلف مرتبط با حرکات از جمله پارکینسون ، صرع و دیسکینزی ارائه می دهد. در تمام این بیماری ها ، سلول های خاصی از مغز متوقف شده و مانع از حرکت طبیعی می شوند. سونوژنتیک می تواند پزشکان را قادر سازد سلول های مغز را در یک مکان یا زمان مشخص روشن یا خاموش کند و این اختلالات حرکتی را بدون جراحی مغز درمان کند.

برای این کار ، منطقه هدف مغز باید به ویروس حامل ژن های پروتئین حساس به صدا آلوده شود. این کار در موشها انجام شده اما هنوز در انسان وجود ندارد. ژن درمانی بهتر و دقیق تر می شود ، و من امیدوارم که محققان دیگر بدانند که چگونه می توانند این کار را تا زمانی که با فناوری سونوژنتیک آماده شده ایم انجام دهند.

گسترش سونوژنتیک

دریافت کرده ایم پشتیبانی قابل توجهی برای پیشبرد این فناوری ، مطالعه اولیه را ایجاد کرده و یک تیم میان رشته ای تشکیل دهید.

با بودجه اضافی از آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی برنامه ElectRxما می توانیم بر یافتن پروتئین هایی که به ما کمک می کند نورون ها را "خاموش کنیم" متمرکز کنیم. ما اخیراً پروتئین هایی را کشف کردیم که می توانند برای فعال کردن نورونها (کار منتشر نشده) دستکاری شوند. این برای ایجاد یک استراتژی درمانی که می تواند برای درمان بیماری های سیستم عصبی مرکزی مانند پارکینسون مورد استفاده قرار گیرد ، بسیار مهم است.

لمس برگ گیاه Mimosa pudica یک واکنش تاشو ایجاد می کند که باعث بسته شدن برگ ها می شود. گیاه همچنین به سونوگرافی حساس است و می تواند همان واکنش را ایجاد کند:

{vembed Y = 7lP35rsQu8c}

تیم ما همچنین در تلاش است تا فناوری سونوژنتیک را گسترش دهد. اکنون مشاهده کردیم که گیاهان خاص مانند "من را لمس نکن" (Mimosa pudica) ، نسبت به سونوگرافی حساس هستند. درست همانطور که برگهای این گیاه در هنگام لمس یا لرزش شناخته می شوند که به سمت داخل فرو می ریزند و به طرف خود می چسبند ، استفاده از پالس های سونوگرافی در یک شاخه جدا شده ، همان پاسخ را ایجاد می کند. سرانجام ، ما در حال تهیه یك روش متفاوت برای آزمایش این هستیم كه آیا سونوگرافی می تواند بر فرآیندهای متابولیك مانند ترشح انسولین از سلول های لوزالمعده تأثیر بگذارد.

سونوژنتیک یک روز می تواند داروها را دور بزند ، نیاز به جراحی های تهاجمی مغز را برطرف کند و برای شرایطی از اختلال استرس پس از ضربه و اختلالات حرکتی گرفته تا درد مزمن مفید باشد. پتانسیل بسیار خوبی برای سونوژنتیک این است که می توان از این فن آوری برای کنترل تقریبا هر نوع سلول استفاده کرد: از یک سلول تولید کننده انسولین در لوزالمعده تا ضربان قلب.

امید ما این است که سونوژنتیک در زمینه های علوم اعصاب و پزشکی متحول شود.

درباره نویسنده

سركانت چالزانی، استادیار نوروبیولوژی مولکولی (موسسه Salk) و استادیار روانشناسی عصب شناسی ، دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو

این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.