Por primera vez en "sonogenética", los investigadores controlan células de mamíferos con sonido

Por primera vez en "sonogenética", los investigadores controlan células de mamíferos con sonido

Los investigadores de Salk identifican una proteína de mamífero sensible al sonido que les permite activar el cerebro, el corazón u otras células con ultrasonido

LA JOLLA—Los científicos de Salk han diseñado células de mamíferos para que se activen mediante ultrasonido. El método, que el equipo usó para activar células humanas en un plato y células cerebrales dentro de ratones vivos, allana el camino hacia versiones no invasivas de estimulación cerebral profunda, marcapasos y bombas de insulina. Los hallazgos fueron publicados en Nature Communications de febrero 9, 2022.

"Pasar a la tecnología inalámbrica es el futuro para casi todo", dice el autor principal Sreekanth Chalasani, profesor asociado en el Laboratorio de Neurobiología Molecular de Salk. "Ya sabemos que el ultrasonido es seguro y que puede atravesar huesos, músculos y otros tejidos, lo que lo convierte en la herramienta definitiva para manipular células en las profundidades del cuerpo".

Hace aproximadamente una década, Chalasani fue pionero en la idea de usar ondas ultrasónicas para estimular grupos específicos de células genéticamente marcadas y acuñó el término “sonogenética” para describirlo. En 2015, su grupo demostró que, en el gusano redondo Caenorhabditis elegans, una proteína llamada TRP-4 hace que las células sean sensibles a los ultrasonidos de baja frecuencia. Cuando los investigadores agregaron TRP-4 a C. elegans neuronas que normalmente no lo tenían, podían activar estas células con una ráfaga de ultrasonido, las mismas ondas de sonido que se usan en las ecografías médicas.

Sin embargo, cuando los investigadores intentaron agregar TRP-4 a las células de mamíferos, la proteína no pudo hacer que las células respondieran al ultrasonido. Se informó que algunas proteínas de mamíferos eran sensibles a los ultrasonidos, pero ninguna parecía ideal para uso clínico. Entonces, Chalasani y sus colegas se propusieron buscar una nueva proteína de mamífero que hiciera que las células fueran altamente sensibles al ultrasonido a 7 MHz, considerada una frecuencia óptima y segura.

"Nuestro enfoque fue diferente a las pantallas anteriores porque nos propusimos buscar canales sensibles al ultrasonido de una manera integral", dice Yusuf Tufail, ex científico del proyecto en Salk y coautor del nuevo artículo.

Los investigadores agregaron cientos de proteínas diferentes, una a la vez, a una línea celular de investigación humana común (HEK), que generalmente no responde al ultrasonido. Luego, colocaron cada cultivo celular en una configuración que les permitió monitorear los cambios en las células con la estimulación por ultrasonido.

Después de examinar proteínas durante más de un año y trabajar con casi 300 candidatos, los científicos finalmente encontraron uno que hizo que las células HEK fueran sensibles a la frecuencia de ultrasonido de 7 MHz. Se sabía que TRPA1, una proteína de canal, permitía que las células respondieran a la presencia de compuestos nocivos y activaba una variedad de células en el cuerpo humano, incluidas las células cerebrales y cardíacas.

Pero el equipo de Chalasani descubrió que el canal también se abrió en respuesta al ultrasonido en las células HEK.

“Nos sorprendió mucho”, dice el coautor del artículo Marc Duque, estudiante de intercambio de Salk. "TRPA1 ha sido bien estudiado en la literatura, pero no se ha descrito como una proteína mecanosensible clásica que esperaría que respondiera al ultrasonido".

Para probar si el canal podría activar otros tipos de células en respuesta al ultrasonido, el equipo utilizó un enfoque de terapia génica para agregar los genes del TRPA1 humano a un grupo específico de neuronas en los cerebros de ratones vivos. Cuando luego administraron ultrasonido a los ratones, solo se activaron las neuronas con los genes TRPA1.

Los médicos que tratan afecciones como la enfermedad de Parkinson y la epilepsia utilizan actualmente la estimulación cerebral profunda, que consiste en implantar quirúrgicamente electrodos en el cerebro para activar ciertos subconjuntos de neuronas. Chalasani dice que la sonogenética algún día podría reemplazar este enfoque: el siguiente paso sería desarrollar un método de administración de terapia génica que pueda cruzar la barrera hematoencefálica, algo que ya se está estudiando.

Quizás antes, dice, la sonogenética podría usarse para activar células en el corazón, como una especie de marcapasos que no requiere implantación. “Ya existen técnicas de administración de genes para introducir un nuevo gen, como TRPA1, en el corazón humano”, dice Chalasani. "Si podemos usar un dispositivo de ultrasonido externo para activar esas células, eso realmente podría revolucionar los marcapasos".

Por ahora, su equipo está realizando un trabajo más básico sobre cómo exactamente TRPA1 detecta el ultrasonido. "Para que este hallazgo sea más útil para futuras investigaciones y aplicaciones clínicas, esperamos determinar exactamente qué partes de TRPA1 contribuyen a su sensibilidad al ultrasonido y modificarlas para mejorar esta sensibilidad", dice Corinne Lee-Kubli, coautora principal. del artículo y ex becaria postdoctoral en Salk.

También planean llevar a cabo otra selección de proteínas sensibles al ultrasonido, esta vez en busca de proteínas que puedan inhibir o apagar la actividad de una célula en respuesta al ultrasonido.

Los otros autores del artículo fueron Uri Magaram, Janki Patel, Ahana Chakraborty, José Mendoza López, Eric Edsinger, Rani Shiao y Connor Weiss de Salk; y Aditya Vasan y James Friend de UC San Diego.

El trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (R01MH111534, R01NS115591), la Fundación de Investigación del Cerebro, el Instituto Kavli del Cerebro y la Mente, la Fundación de Investigación de Ciencias de la Vida, la Fundación WM Keck (SERF) y Waitt Advanced Biophotonics y GT3 Cores (que reciben financiación a través de NCI CCSG P30014195 y NINDSR24).