In eerste instantie gebruiken Salk-wetenschappers geluidsgolven om hersencellen te controleren

In eerste instantie gebruiken Salk-wetenschappers geluidsgolven om hersencellen te controleren

Een nieuwe techniek om selectief en niet-invasief groepen neuronen in wormen aan te zetten, zou een zegen kunnen zijn voor wetenschap en geneeskunde

Wetenschappers van LA JOLLA-Salk hebben een nieuwe manier ontwikkeld om hersenen, hart, spieren en andere cellen selectief te activeren met behulp van ultrasone golven. De nieuwe techniek, genaamd sonogenetica, heeft enkele overeenkomsten met het snelgroeiende gebruik van licht om cellen te activeren om de hersenen beter te begrijpen.

Deze nieuwe methode, die hetzelfde type golven gebruikt als in medische sonogrammen, kan voordelen hebben ten opzichte van de op licht gebaseerde benadering, bekend als optogenetica, vooral als het gaat om het aanpassen van de technologie aan menselijke therapieën. Het werd op 15 september 2015 beschreven in het tijdschrift Nature Communications.

"Op licht gebaseerde technieken zijn geweldig voor sommige toepassingen en ik denk dat we ontwikkelingen op dat vlak zullen blijven zien", zegt Sreekanth Chalasani, een assistent-professor in Salk's Laboratorium voor moleculaire neurobiologie en senior auteur van de studie. "Maar dit is een nieuw, extra hulpmiddel om neuronen en andere cellen in het lichaam te manipuleren."

In optogenetica voegen onderzoekers lichtgevoelige kanaaleiwitten toe aan neuronen die ze willen bestuderen. Door een gerichte laser op de cellen te laten schijnen, kunnen ze selectief deze kanalen openen, waardoor de doelneuronen worden geactiveerd of tot zwijgen worden gebracht. Maar het gebruik van een optogenetische benadering van cellen diep in de hersenen is moeilijk: meestal moeten onderzoekers een operatie uitvoeren om een ​​glasvezelkabel te implanteren die de cellen kan bereiken. Bovendien wordt licht verstrooid door de hersenen en door andere weefsels in het lichaam.

Chalasani en zijn groep besloten om te kijken of ze een aanpak konden ontwikkelen die in plaats daarvan vertrouwde op ultrasone golven voor de activering. "In tegenstelling tot licht kan laagfrequente echografie zonder enige verstrooiing door het lichaam reizen", zegt hij. "Dit kan een groot voordeel zijn als je een regio diep in de hersenen wilt stimuleren zonder andere regio's te beïnvloeden", voegt Stuart Ibsen toe, een postdoctoraal onderzoeker in het Chalasani-lab en eerste auteur van het nieuwe werk.

Voor het eerst worden geluidsgolven gebruikt om hersencellen aan te sturen. Salk-wetenschappers ontwikkelden de nieuwe techniek, genaamd sonogenetica, om selectief en niet-invasief groepen neuronen in wormen aan te zetten die een zegen zouden kunnen zijn voor wetenschap en geneeskunde.

Klik hier voor een afbeelding met hoge resolutie.

Afbeelding: met dank aan het Salk Institute for Biological Studies

Chalasani en zijn collega's toonden dat voor het eerst aan, in de nematode Caenorhabditis elegans, waren microbelletjes gas buiten de worm nodig om de ultrasone golven met lage intensiteit te versterken. "De microbellen groeien en krimpen in harmonie met de ultrasone drukgolven", zegt Ibsen. "Deze oscillaties kunnen zich vervolgens niet-invasief voortplanten in de worm."

Vervolgens vonden ze een membraanionkanaal, TRP-4, dat op deze golven kan reageren. Wanneer mechanische vervormingen van de ultrasone golven die gasbellen raken zich voortplanten in de worm, zorgen ze ervoor dat TRP-4-kanalen zich openen en de cel activeren. Gewapend met die kennis probeerde het team het TRP-4-kanaal toe te voegen aan neuronen die het normaal niet hebben.
Met deze aanpak hebben ze met succes neuronen geactiveerd die normaal gesproken niet reageren op echografie.

Tot nu toe is sonogenetica alleen toegepast op C. elegans neuronen. Maar TRP-4 kan worden toegevoegd aan elk calciumgevoelig celtype in elk organisme, inclusief de mens, zegt Chalasani. Vervolgens kunnen microbellen in de bloedbaan worden geïnjecteerd en door het lichaam worden verspreid - een benadering die al wordt gebruikt in sommige menselijke beeldvormingstechnieken. Echografie kan dan niet-invasief elk weefsel van interesse bereiken, inclusief de hersenen, worden versterkt door de microbellen en de cellen van interesse activeren via TRP-4. En veel cellen in het menselijk lichaam, legt hij uit, kunnen reageren op de toestroom van calcium veroorzaakt door TRP-4.

"De echte prijs zal zijn om te zien of dit zou kunnen werken in de hersenen van een zoogdier", zegt Chalasani. Zijn groep is al begonnen met het testen van de aanpak bij muizen. "Als we de sprong maken naar therapieën voor mensen, denk ik dat we een betere kans maken met niet-invasieve sonogenetische benaderingen dan met optogenetica."

Zowel optogenetische als sonogenetische benaderingen, voegt hij eraan toe, zijn veelbelovend in fundamenteel onderzoek door wetenschappers het effect van celactivering te laten bestuderen. En ze kunnen ook nuttig zijn in therapieën door de activering van door ziekte aangetaste cellen. Voor beide technieken die bij mensen kunnen worden gebruikt, moeten onderzoekers echter eerst veilige manieren ontwikkelen om de licht- of ultrageluidgevoelige kanalen naar doelcellen te brengen.

Andere onderzoekers van het onderzoek waren Stuart Ibsen en Ada Tong van het Salk Institute, en Carolyn Schutt en Sadik Esener van het University of California, San Diego.

Het werk en de betrokken onderzoekers werden ondersteund door een Salk Institute Pioneer Fund Postdoctoral Fellowship, een Salk Institute Innovation Grant, de Stichting Rita Allen WM Keck Stichting en National Institutes of Health.