In een primeur voor 'sonogenetica' controleren onderzoekers zoogdiercellen met geluid

In een primeur voor 'sonogenetica' controleren onderzoekers zoogdiercellen met geluid

Salk-onderzoekers lokaliseren een geluidsgevoelig eiwit van zoogdieren waarmee ze hersen-, hart- of andere cellen kunnen activeren met ultrageluid

LA JOLLA — Wetenschappers van Salk hebben zoogdiercellen zo ontworpen dat ze met behulp van ultrageluid worden geactiveerd. De methode, die het team gebruikte om menselijke cellen in een schaal en hersencellen in levende muizen te activeren, baant de weg naar niet-invasieve versies van diepe hersenstimulatie, pacemakers en insulinepompen. De bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Communications op februari 9, 2022.

"Draadloos gaan is de toekomst voor zo ongeveer alles", zegt senior auteur Sreekanth Chalasani, een universitair hoofddocent in Salk's Molecular Neurobiology Laboratory. "We weten al dat echografie veilig is en dat het door botten, spieren en andere weefsels kan gaan, waardoor het het ultieme hulpmiddel is om cellen diep in het lichaam te manipuleren."

Ongeveer tien jaar geleden pionierde Chalasani met het idee om ultrasone golven te gebruiken om specifieke groepen genetisch gemarkeerde cellen te stimuleren, en bedacht de term "sonogenetica” om het te omschrijven. In 2015, zijn groep liet dat zien, in de rondworm Caenorhabditis elegans, maakt een eiwit genaamd TRP-4 cellen gevoelig voor laagfrequente ultrageluid. Toen de onderzoekers TRP-4 toevoegden aan C. elegans neuronen die het normaal gesproken niet hadden, konden deze cellen activeren met een uitbarsting van ultrageluid - dezelfde geluidsgolven die worden gebruikt in medische echografieën.

Toen de onderzoekers probeerden TRP-4 toe te voegen aan zoogdiercellen, was het eiwit echter niet in staat om de cellen te laten reageren op ultrageluid. Van enkele eiwitten van zoogdieren werd gerapporteerd dat ze ultrasoongevoelig zijn, maar geen enkele leek ideaal voor klinisch gebruik. Dus gingen Chalasani en zijn collega's op zoek naar een nieuw zoogdiereiwit dat cellen zeer ultrasoongevoelig maakte bij 7 MHz, wat als een optimale en veilige frequentie wordt beschouwd.

"Onze aanpak was anders dan eerdere schermen, omdat we op een alomvattende manier op zoek gingen naar ultrasoongevoelige kanalen", zegt Yusuf Tufail, een voormalig projectwetenschapper bij Salk en mede-eerste auteur van het nieuwe artikel.

De onderzoekers voegden honderden verschillende eiwitten één voor één toe aan een gewone humane onderzoekscellijn (HEK), die gewoonlijk niet reageert op echografie. Vervolgens plaatsten ze elke celcultuur onder een opstelling waarmee ze veranderingen in de cellen konden volgen bij ultrasone stimulatie.

Na meer dan een jaar eiwitten te hebben gescreend en zich een weg te banen door bijna 300 kandidaten, vonden de wetenschappers er eindelijk een die de HEK-cellen gevoelig maakte voor de 7 MHz ultrasone frequentie. Van TRPA1, een kanaaleiwit, was bekend dat het cellen laat reageren op de aanwezigheid van schadelijke verbindingen en een reeks cellen in het menselijk lichaam activeert, waaronder hersen- en hartcellen.

Maar het team van Chalasani ontdekte dat het kanaal ook openging als reactie op ultrageluid in HEK-cellen.

"We waren echt verrast", zegt mede-eerste auteur van de paper Marc Duque, een Salk-uitwisselingsstudent. "TRPA1 is goed bestudeerd in de literatuur, maar is niet beschreven als een klassiek mechanosensitief eiwit waarvan je zou verwachten dat het reageert op echografie."

Om te testen of het kanaal andere celtypen kon activeren als reactie op echografie, gebruikte het team een ​​gentherapiebenadering om de genen voor menselijk TRPA1 toe te voegen aan een specifieke groep neuronen in de hersenen van levende muizen. Toen ze de muizen vervolgens ultrageluid toedienden, werden alleen de neuronen met de TRPA1-genen geactiveerd.

Artsen die aandoeningen behandelen, waaronder de ziekte van Parkinson en epilepsie, gebruiken momenteel diepe hersenstimulatie, waarbij elektroden chirurgisch in de hersenen worden geïmplanteerd om bepaalde subsets van neuronen te activeren. Chalasani zegt dat sonogenetica op een dag deze benadering zou kunnen vervangen - de volgende stap zou de ontwikkeling zijn van een methode voor het toedienen van gentherapie die de bloed-hersenbarrière kan passeren, iets dat al wordt bestudeerd.

Misschien eerder, zegt hij, zou sonogenetica kunnen worden gebruikt om cellen in het hart te activeren, als een soort pacemaker die geen implantatie vereist. "Er bestaan ​​al technieken voor het afleveren van genen om een ​​nieuw gen, zoals TRPA1, in het menselijk hart te krijgen", zegt Chalasani. "Als we dan een extern ultrasoonapparaat kunnen gebruiken om die cellen te activeren, zou dat een revolutie teweeg kunnen brengen in pacemakers."

Voorlopig voert zijn team meer basiswerk uit over hoe TRPA1 echografie precies waarneemt. "Om deze bevinding nuttiger te maken voor toekomstig onderzoek en klinische toepassingen, hopen we precies te bepalen welke delen van TRPA1 bijdragen aan de ultrasone gevoeligheid en deze aan te passen om deze gevoeligheid te verbeteren", zegt Corinne Lee-Kubli, een co-eerste auteur van de krant en voormalig postdoctoraal onderzoeker bij Salk.

Ze zijn ook van plan om nog een screening uit te voeren voor ultrageluidgevoelige eiwitten - dit keer op zoek naar eiwitten die de activiteit van een cel als reactie op ultrageluid kunnen remmen of uitschakelen.

De andere auteurs van het artikel waren Uri Magaram, Janki Patel, Ahana Chakraborty, Jose Mendoza Lopez, Eric Edsinger, Rani Shiao en Connor Weiss van Salk; en Aditya Vasan en James Friend van UC San Diego.

Het werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (R01MH111534, R01NS115591), Brain Research Foundation, Kavli Institute of Brain and Mind, Life Sciences Research Foundation, WM Keck Foundation (SERF) en de Waitt Advanced Biophotonics en GT3 Cores (die ontvangen financiering via NCI CCSG P30014195 en NINDSR24).