Geluidsgolven worden weergegeven als een oscillerend gloedlicht. natrot / Shutterstock.com

Wat als u geen operatie nodig had om een ​​pacemaker op een defect hart te implanteren? Wat als u uw bloedsuikerspiegel zou kunnen regelen zonder een injectie met insuline, of het begin van een aanval zou kunnen verminderen zonder zelfs maar op een knop te drukken?

Ik en een team van wetenschappers in mijn laboratorium de Salk Institute pakken deze uitdagingen aan door de ontwikkeling van een nieuwe technologie die bekend staat als sonogenetics, het vermogen om de activiteit van cellen op niet-invasieve wijze te besturen met behulp van geluid.

Van licht naar geluid

Ik ben een neurowetenschapper geïnteresseerd in het begrijpen van hoe de hersenen veranderingen in de omgeving detecteren en daarop reageren. Neurowetenschappers zijn altijd op zoek naar manieren om neuronen in levende hersenen te beïnvloeden, zodat we de uitkomst kunnen analyseren en begrijpen hoe dat brein werkt en hoe we hersenaandoeningen beter kunnen behandelen.

Het creëren van deze specifieke veranderingen vereist de ontwikkeling van nieuwe tools. De laatste twee decennia was optogenetica de go-to-tool voor onderzoekers in mijn vakgebied, een techniek waarin gemanipuleerde hersencellen bij dieren worden gecontroleerd met licht. Dit proces omvat het inbrengen van een optische vezel diep in de hersenen van het dier om licht naar het doelgebied te brengen.

Wanneer deze zenuwcellen worden blootgesteld aan blauw licht, wordt het lichtgevoelige eiwit geactiveerd, waardoor die hersencellen met elkaar kunnen communiceren en het gedrag van het dier kunnen wijzigen. Bijvoorbeeld, dieren met de ziekte van Parkinson kunnen dat zijn genezen van hun onvrijwillige trillingen door schijnend licht op hersencellen die speciaal zijn ontwikkeld waardoor ze lichtgevoelig zijn. Maar het voor de hand liggende nadeel is dat deze procedure afhangt van het chirurgisch implanteren van een kabel in de hersenen - een strategie die niet gemakkelijk in mensen kan worden vertaald.

Mijn doel was geweest om erachter te komen hoe de hersenen te manipuleren zonder licht te gebruiken.

Geluidscontrole

Ik ontdekte dat echografie - geluidsgolven buiten het bereik van het menselijk gehoor, die niet-invasief en veilig zijn - een geweldige manier is om cellen te controleren. Omdat geluid een vorm van mechanische energie is, dacht ik dat als hersencellen mechanisch gevoelig zouden kunnen worden gemaakt, we ze zouden kunnen aanpassen met echografie. Dit onderzoek leidde ons tot de ontdekking van de eerste natuurlijk voorkomende mechanische eiwitdetector dat maakte hersencellen gevoelig voor echografie.

Onze technologie werkt in twee fasen. Eerst introduceren we nieuw genetisch materiaal in slecht functionerende hersencellen met behulp van een virus als afleverapparaat. Dit geeft de instructies voor deze cellen om de ultrageluid-reagerende eiwitten te maken.

De volgende stap is het uitzenden van ultrasone pulsen van een apparaat buiten het lichaam van het dier dat op de cellen is gericht met de geluidsgevoelige eiwitten. De ultrasone puls activeert op afstand de cellen.

Geluidsfrequentiebereiken voor infrageluid, hoorbare en ultrasone golven en de dieren die ze kunnen horen. Mensen kunnen alleen horen tussen 20 Hz en 20,000 Hz. Designua / Shutterstock.com

Bewijs in wormen

Wij waren de eersten om te laten zien hoe sonogenetica kan worden gebruikt om neuronen te activeren in een microscopische worm genoemd Caenorhabditis elegans.

Met behulp van genetische technieken identificeerden we een natuurlijk voorkomend eiwit genaamd TRP-4 - dat aanwezig is in sommige van de neuronen van de worm - dat gevoelig was voor veranderingen in de ultrasone druk. Geluidsgolven die optreden in het ultrasone bereik liggen boven de normale drempel voor het menselijk gehoor. Sommige dieren, waaronder vleermuizen, walvissen en zelfs motten, kunnen communiceren met deze ultrasone frequenties, maar de frequenties die worden gebruikt in onze experimenten gaan verder dan wat zelfs deze dieren kunnen detecteren.

Mijn team en ik hebben aangetoond dat neuronen met het TRP-4-eiwit gevoelig zijn voor ultrasone frequenties. Geluidsgolven op deze frequenties veranderden het gedrag van de worm. We hebben twee van de 302-neuronen van de worm genetisch gewijzigd en het TRP-4-gen toegevoegd dat we wisten van eerdere studies was betrokken bij mechanosensatie.

We hebben laten zien hoe ultrasone pulsen de wormen van richting kunnen doen veranderen, alsof we een wormafstandsbediening gebruiken. Deze waarnemingen toonden aan dat we echografie konden gebruiken als hulpmiddel om de hersenfunctie bij levende dieren te bestuderen zonder iets in de hersenen te steken.

Het verzenden van een ultrasone puls naar een worm met geluidsgevoelige eiwitten zorgt ervoor dat deze van richting verandert:

{besloten Y=vLOqvBG6x-E}

De voordelen van sonogenetics

Deze eerste bevinding markeerde de geboorte van een nieuwe techniek die inzichten biedt in hoe cellen kunnen worden opgewonden door geluid. Bovendien geloof ik dat onze resultaten suggereren dat sonogenetica kan worden toegepast om een ​​breed scala aan celtypen en cellulaire functies te manipuleren.

C. elegans was een goed uitgangspunt voor het ontwikkelen van deze technologie omdat het dier relatief eenvoudig is, met alleen 302-neuronen. Hiervan zit TRP-4 in slechts acht neuronen. We kunnen dus andere neuronen besturen door er eerst TRP-4 aan toe te voegen en vervolgens de echografie precies op deze specifieke neuronen te richten.

Maar mensen hebben, anders dan wormen, niet het TRP-4-gen. Dus mijn plan is om het geluidsgevoelige eiwit te introduceren in de specifieke menselijke cellen die we willen beheersen. Het voordeel van deze benadering is dat de echografie geen invloed heeft op andere cellen in het menselijk lichaam.

Het is momenteel niet bekend of andere eiwitten dan TRP-4 gevoelig zijn voor echografie. Het identificeren van dergelijke eiwitten, als die er zijn, is een gebied van intensieve studie in mijn laboratorium en het veld.

Het beste deel van sonogenetics is dat het geen hersenimplantaat vereist. Voor sonogenetica gebruiken we kunstmatig ontworpen virussen - die niet kunnen repliceren - om genetisch materiaal aan hersencellen te leveren. Hierdoor kunnen de cellen geluidsgevoelige eiwitten produceren. Deze methode is gebruikt om leveren genetisch materiaal aan menselijk bloed en hartspiercellen bij varkens.

Sonogenetics, hoewel nog steeds in de zeer vroege stadia van ontwikkeling, biedt een nieuwe therapeutische strategie voor verschillende bewegingsgerelateerde aandoeningen, waaronder Parkinson, epilepsie en dyskinesie. Bij al deze ziekten stoppen bepaalde hersencellen met werken en voorkomen ze normale bewegingen. Met Sonogenetics kunnen artsen hersencellen op een specifieke locatie of tijdstip in- of uitschakelen en deze bewegingsstoornissen behandelen zonder hersenoperaties.

Om dit te laten werken, moet het doelgebied van de hersenen worden geïnfecteerd met het virus dat de genen voor het geluidsgevoelige eiwit draagt. Dit is gedaan bij muizen, maar nog niet bij mensen. Gentherapie wordt steeds beter en preciezer, en ik hoop dat andere onderzoekers erachter zullen zijn hoe dit te doen tegen de tijd dat we klaar zijn met onze sonogenetische technologie.

Uitbreiding van sonogenetica

We hebben ontvangen substantiële steun om deze technologie vooruit te helpen, de eerste studie te voeden en een interdisciplinair team op te zetten.

Met extra financiering van Defense Advanced Research Projects Agency's ElectRx-programmakunnen we ons concentreren op het vinden van eiwitten die ons kunnen helpen neuronen te 'uitschakelen'. We hebben onlangs eiwitten ontdekt die kunnen worden gemanipuleerd om neuronen te activeren (niet-gepubliceerd werk). Dit is cruciaal voor het ontwikkelen van een therapeutische strategie die kan worden gebruikt voor de behandeling van ziekten van het centrale zenuwstelsel zoals Parkinson.

Het aanraken van het blad van de Mimosa pudica-plant veroorzaakt een vouwreactie waardoor de bladeren sluiten. De plant is ook gevoelig voor echografie die dezelfde reactie kan veroorzaken:

{besloten Y=7lP35rsQu8c}

Ons team werkt ook aan de uitbreiding van de sonogenetische technologie. We hebben nu vastgesteld dat bepaalde planten, zoals de 'touch me not' (Mimosa pudica), zijn gevoelig voor echografie. Net zoals het bekend is dat de bladeren van deze plant instorten en naar binnen vouwen wanneer ze worden aangeraakt of geschud, levert het toepassen van pulsen ultrageluid op een geïsoleerde tak dezelfde respons. Ten slotte ontwikkelen we een andere methode om te testen of echografie metabolische processen zoals insulinesecretie van pancreascellen kan beïnvloeden.

Sonogenetica kan ooit medicijnen omzeilen, de behoefte aan invasieve hersenoperaties wegnemen en nuttig zijn voor aandoeningen variërend van posttraumatische stressstoornis en bewegingsstoornissen tot chronische pijn. Het grote potentieel voor sonogenetica is dat deze technologie kan worden toegepast om bijna elk type cel te regelen: van een insuline producerende cel in de alvleesklier tot pacing van een hart.

Onze hoop is dat sonogenetica een revolutie teweegbrengt op het gebied van neurowetenschappen en geneeskunde.

Over de auteur

Sreekanth Chalasani, Universitair hoofddocent moleculaire neurobiologie (Salk Institute) en universitair hoofddocent neurobiologie, University of California San Diego

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.