Gelombang bunyi dipaparkan sebagai cahaya cahaya berayun. natrot / Shutterstock.com

Bagaimana jika anda tidak memerlukan pembedahan untuk memasang implan jantung pada jantung yang rosak? Bagaimana jika anda dapat mengawal paras gula darah anda tanpa suntikan insulin, atau mengurangkan permulaan rampasan tanpa menekan butang?

Saya dan sekumpulan saintis di Malaysia makmal saya pada Institut Salk sedang menangani cabaran ini dengan membangunkan teknologi baru yang dikenal sebagai sonogenetics, keupayaan untuk mengawal aktiviti sel tanpa menggunakan suara secara tidak sengaja.

Dari cahaya ke bunyi

Saya seorang pakar neurosains berminat untuk memahami bagaimana otak mengesan perubahan persekitaran dan bertindak balas. Para pakar neurologi selalu mencari cara untuk mempengaruhi neuron dalam otak hidup supaya kita dapat menganalisis hasilnya dan memahami bagaimana otak berfungsi dan bagaimana untuk merawat gangguan otak dengan lebih baik.

Mewujudkan perubahan khusus ini memerlukan pembangunan alat baru. Selama dua dekad yang lalu, alat untuk penyelidik dalam bidang saya telah optogenetik, teknik di mana sel-sel otak yang direka bentuk dalam haiwan dikawal dengan cahaya. Proses ini melibatkan memasukkan serat optik jauh di dalam otak haiwan untuk menyampaikan cahaya ke kawasan sasaran.

Apabila sel-sel saraf ini terdedah kepada cahaya biru, protein sensitif cahaya diaktifkan, membolehkan sel-sel otak untuk berkomunikasi antara satu sama lain dan mengubah tingkah laku haiwan. Sebagai contoh, haiwan dengan penyakit Parkinson boleh sembuh dari gegaran mereka yang tidak disengaja dengan menyinari cahaya pada sel-sel otak yang telah direka khas untuk menjadikannya sensitif cahaya. Tetapi kelemahan yang jelas adalah bahawa prosedur ini bergantung kepada operasi pembedahan kabel ke otak - strategi yang tidak dapat diterjemahkan dengan mudah kepada orang.

Matlamat saya adalah untuk mengetahui cara memanipulasi otak tanpa menggunakan cahaya.

Kawalan bunyi

Saya dapati bahawa ultrabunyi - gelombang bunyi di luar jangkauan pendengaran manusia, yang tidak dinasihatkan dan selamat - adalah cara terbaik untuk mengawal sel-sel. Oleh kerana bunyi adalah bentuk tenaga mekanikal, saya fikir bahawa jika sel otak dapat dibuat sensitif secara mekanis, maka kita dapat memodifikasi mereka dengan ultrasound. Penyelidikan ini membawa kita kepada penemuan pertama secara semula jadi berlaku pengesan mekanikal protein yang menjadikan sel-sel otak sensitif terhadap ultrasound.

Teknologi kami berfungsi dalam dua peringkat. Mula-mula kita memperkenalkan bahan genetik baru ke sel-sel otak yang tidak berfungsi dengan menggunakan virus sebagai alat penghantaran. Ini memberikan arahan untuk sel-sel ini untuk membuat protein ultrasound-responsif.

Langkah seterusnya adalah memancarkan denyutan ultrasound dari peranti di luar badan haiwan yang mensasarkan sel-sel dengan protein sensitif bunyi. Pulse ultrasound dari jauh mengaktifkan sel-sel.

Rangkaian frekuensi bunyi untuk infrasound, gelombang bunyi dan ultrasound dan haiwan yang dapat mendengarnya. Orang boleh mendengar hanya antara 20 Hz dan 20,000 Hz. Designua / Shutterstock.com

Bukti dalam cacing

Kami adalah yang pertama menunjukkan bagaimana Sonogenetics boleh digunakan untuk mengaktifkan neuron dalam cacing mikroskopik yang dipanggil Caenorhabditis elegans.

Dengan menggunakan teknik genetik, kami mengenal pasti protein semulajadi yang dikenali sebagai TRP-4 - yang terdapat dalam beberapa neuron cacing - yang sensitif kepada perubahan tekanan ultrasound. Gelombang tekanan bunyi yang berlaku dalam julat ultrasonik berada di atas ambang biasa untuk pendengaran manusia. Sesetengah haiwan, termasuk kelawar, ikan paus dan juga rama-rama, boleh berkomunikasi di frekuensi ultrasonik ini, tetapi frekuensi yang digunakan dalam eksperimen kami melampaui apa yang dapat dikesan haiwan ini.

Pasukan saya dan saya menunjukkan bahawa neuron dengan protein TRP-4 sensitif terhadap frekuensi ultrasonik. Gelombang bunyi pada frekuensi ini mengubah tingkah cacing. Kami secara genetik mengubah dua neuron 302 cacing dan menambah gen TRP-4 yang kita tahu dari kajian terdahulu terlibat dengan mekanosensasi.

Kami menunjukkan bagaimana ultrasound denyutan dapat membuat cacing berubah arah, seolah-olah kami menggunakan kawalan jauh cacing. Pemerhatian ini membuktikan bahawa kita boleh menggunakan ultrabunyi sebagai alat untuk mengkaji fungsi otak dalam haiwan hidup tanpa memasukkan apa-apa ke dalam otak.

Menghantar nadi ultrasound ke cacing membawa protein sensitif bunyi menyebabkan ia mengubah arah:

{vembed Y = vLOqvBG6x-E}

Kelebihan sonogenetics

Penemuan awal ini menandakan kelahiran teknik baru yang menawarkan pandangan tentang bagaimana sel-sel dapat teruja dengan bunyi. Di samping itu, saya percaya bahawa hasil kami menunjukkan bahawa sonogenetics boleh digunakan untuk memanipulasi pelbagai jenis sel dan fungsi selular.

C. elegans adalah titik permulaan yang baik untuk membangunkan teknologi ini kerana haiwan itu agak mudah, dengan hanya neuron 302. Daripada jumlah ini, TRP-4 hanya dalam lapan neuron. Oleh itu, kita dapat mengawal neuron lain dengan terlebih dahulu menambah TRP-4 kepada mereka dan kemudian mengarahkan ultrasound tepat pada neuron khusus ini.

Tetapi manusia, tidak seperti cacing, tidak mempunyai gen TRP-4. Oleh itu, pelan saya adalah untuk memperkenalkan protein sensitif bunyi ke dalam sel-sel manusia tertentu yang kita mahu mengawal. Kelebihan pendekatan ini adalah bahawa ultrasound tidak akan mengganggu sel-sel lain dalam tubuh manusia.

Pada masa ini tidak diketahui sama ada protein selain daripada TRP-4 sensitif terhadap ultrasound. Mengenal pasti protein seperti itu, jika terdapat apa-apa, adalah bidang kajian yang sengit di makmal saya dan bidang.

Bahagian terbaik mengenai sonogenetics adalah bahawa ia tidak memerlukan implan otak. Untuk sonogenetics, kami menggunakan virus yang direka bentuk secara buatan - yang tidak mampu meniru - untuk menghantar bahan genetik ke sel-sel otak. Ini membolehkan sel-sel untuk menghasilkan protein sensitif bunyi. Kaedah ini telah digunakan untuk menyampaikan bahan genetik kepada darah manusia and sel-sel otot jantung dalam babi.

Sonogenetics, walaupun masih dalam peringkat awal pembangunan, menawarkan strategi terapeutik novel untuk pelbagai gangguan berkaitan pergerakan termasuk Parkinson, epilepsi dan dyskinesia. Dalam semua penyakit ini, sel-sel otak tertentu berhenti bekerja dan menghalang pergerakan normal. Sonogenetics boleh membolehkan doktor menghidupkan atau mematikan sel-sel otak di lokasi atau masa tertentu dan merawat gangguan pergerakan tanpa pembedahan otak.

Untuk ini berfungsi, kawasan sasaran otak perlu dijangkiti virus yang membawa gen untuk protein sensitif bunyi. Ini telah dilakukan pada tikus tetapi belum pada manusia. Terapi gen semakin baik dan lebih tepat, dan saya berharap penyelidik lain akan mengetahui bagaimana untuk melakukan ini pada masa kami bersedia dengan teknologi sonogenetik kami.

Memperluas sonogenetics

Kami telah menerima sokongan yang besar untuk memajukan teknologi ini, menjana kajian awal dan menubuhkan pasukan interdisipliner.

Dengan pembiayaan tambahan dari Projek Penyelidikan Advanced Defense Agency Program ElectRx, kita boleh menumpukan pada mencari protein yang dapat membantu kita "mematikan" neuron. Kami baru-baru ini menemui protein yang boleh dimanipulasi untuk mengaktifkan neuron (kerja yang tidak diterbitkan). Ini adalah penting untuk membangunkan strategi terapeutik yang boleh digunakan untuk merawat penyakit sistem saraf pusat seperti Parkinson.

Menyentuh daun kilang Mimosa pudica mencetuskan tindak balas lipatan yang menyebabkan daunnya ditutup. Tumbuhan ini juga sensitif terhadap ultrasound yang boleh mencetuskan tindak balas yang sama:

{vembed Y = 7lP35rsQu8c}

Pasukan kami juga sedang berusaha mengembangkan teknologi sonogenetik. Kami telah mengamati bahawa tumbuh-tumbuhan tertentu, seperti "sentuh saya tidak" (Mimosa pudica), sensitif terhadap ultrasound. Sama seperti daun tumbuhan ini diketahui runtuh dan melipat masuk ke dalam apabila disentuh atau digoncang, memohon denyut ultrasound ke cawangan terpencil menghasilkan tindak balas yang sama. Akhir sekali, kami sedang membangunkan kaedah yang berbeza untuk menguji jika ultrabunyi boleh mempengaruhi proses metabolik seperti rembesan insulin dari sel pankreas.

Sonogenetics boleh mengelakkan ubat-ubatan pada suatu hari, menghapuskan keperluan untuk pembedahan otak yang invasif dan berguna untuk keadaan dari gangguan tekanan selepas trauma dan gangguan pergerakan kepada sakit kronik. Potensi besar untuk sonogenetics ialah teknologi ini boleh digunakan untuk mengawal hampir semua jenis sel: dari sel penghasil insulin di pankreas untuk melangkah hati.

Harapan kami ialah sonogenetics merevolusi bidang-bidang neurosains dan ubat-ubatan.

Mengenai Penulis

Sreekanth Chalasani, Profesor Madya Neurobiologi Molekul (Institut Salk) dan Penolong Adjunct Profesor Neurobiologi, University of California San Diego

Artikel ini diterbitkan semula daripada Perbualan di bawah lesen Creative Commons. Membaca artikel asal.