Salk 科學家開發了一種使用聲波控制腦細胞的技術，稱為聲遺傳學，以選擇性和非侵入性地打開神經元組。它首先用于蠕蟲，現在已用于哺乳動物細胞。這種技術可能是科學和醫學的福音。圖片：由索爾克生物研究所提供
Salk 研究人員確定了一種對聲音敏感的哺乳動物蛋白質，它可以讓它們通過超聲波激活大腦、心臟或其他細胞。
Salk 科學家已經設計出可以使用超聲波激活的哺乳動物細胞。該團隊使用該方法激活培養皿中的人體細胞和活體小鼠體內的腦細胞，為無創版本的深部腦刺激、起搏器和胰島素泵鋪平了道路。該研究結果將于今天（2022 年 2 月 9 日）發表在《自然通訊》上。
“無線化是幾乎所有事物的未來，”資深作者、索爾克分子神經生物學實驗室副教授 Sreekanth Chalasani 說。“我們已經知道超聲波是安全的，它可以穿過骨骼、肌肉和其他組織，使其成為操縱身體深處細胞的終極工具。”
大約十年前，Chalasani 率先提出使用超聲波刺激特定基因標記細胞群的想法，并創造了“聲遺傳學”一詞來描述它。2015 年，他的團隊表明，在秀麗隱桿線蟲蛔蟲中，一種名為 TRP-4 的蛋白質使細胞對低頻超聲敏感。當研究人員將 TRP-4 添加到通常不具有 TRP-4 的秀麗隱桿線蟲神經元中時，他們可以用一陣超聲波激活這些細胞 - 與醫學超聲圖中使用的聲波相同。
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小鼠大腦中的神經元（洋紅色）。Chalasani 實驗室使特定的神經元表達 TRPA1（白色），因此它們可以被超聲波激活。來源：索爾克研究所
然而，當研究人員嘗試將 TRP-4 添加到哺乳動物細胞中時，該蛋白質無法使細胞對超聲波產生反應。據報道，一些哺乳動物蛋白質對超聲波敏感，但似乎沒有一種蛋白質非常適合臨床使用。因此，Chalasani 和他的同事開始尋找一種新的哺乳動物蛋白質，這種蛋白質可以使細胞在 7 MHz 下對超聲波高度敏感，這被認為是最佳和安全的頻率。
“我們的方法與以前的篩選方法不同，因為我們開始以全面的方式尋找超聲敏感通道，”Salk 的前項目科學家、新論文的共同第一作者 Yusuf Tufail 說。
研究人員將數百種不同的蛋白質一次添加到一種常見的人類研究細胞系 (HEK) 中，該細胞系通常對超聲波沒有反應。然后，他們將每個細胞培養物置于一個裝置下，讓他們監測超聲刺激后細胞的變化。
左上角：Sreekanth Chalasani 和 Corinne Lee-Kubli。左下：Marc Duque 和 Yusuf Tufail。來源：頂部：索爾克研究所。左下：Marc Duque 和 Yusuf Tufail
在篩選了一年多的蛋白質并篩選了近 300 種候選蛋白質后，科學家們終于找到了一種使 HEK 細胞對 7 MHz 超聲頻率敏感的蛋白質。眾所周知，TRPA1 是一種通道蛋白，它可以讓細胞對有害化合物的存在做出反應，并激活人體中的一系列細胞，包括大腦和心臟細胞。
但 Chalasani 的團隊發現，該通道也因 HEK 細胞中的超聲波而打開。
“我們真的很驚訝，”論文的共同第一作者、索爾克大學的交換生 Marc Duque 說。“TRPA1 已在文獻中得到充分研究，但并未被描述為一種經典的機械敏感蛋白，您期望它會對超聲波產生反應。”
為了測試該通道是否可以響應超聲波激活其他細胞類型，該團隊使用基因治療方法將人類 TRPA1 的基因添加到活小鼠大腦中的特定神經元組中。當他們隨后對小鼠進行超聲波處理時，只有帶有 TRPA1 基因的神經元被激活。
治療帕金森病和癲癇等疾病的臨床醫生目前使用腦深部刺激，包括通過手術在大腦中植入電極，以激活某些神經元亞群。Chalasani 說，聲遺傳學有朝一日可能會取代這種方法——下一步將是開發一種可以穿過血腦屏障的基因治療遞送方法，這已經在研究中。
他說，也許更早的時候，聲遺傳學可以用來激活心臟中的細胞，作為一種不需要植入的起搏器。“基因傳遞技術已經存在，可用于將新基因（如 TRPA1）導入人類心臟，”Chalasani 說。“如果我們可以使用外部超聲設備來激活這些細胞，那將真正徹底改變起搏器。”
目前，他的團隊正在就 TRPA1 如何感知超聲波開展更多基礎工作。“為了使這一發現對未來的研究和臨床應用更有用，我們希望準確確定 TRPA1 的哪些部分有助于其超聲敏感性并對其進行調整以提高這種敏感性，”共同第一作者 Corinne Lee-Kubli 說論文和索爾克前博士后研究員。
他們還計劃對超聲波敏感蛋白質進行另一次篩選——這次是尋找可以抑制或關閉細胞對超聲波的反應的活性的蛋白質。