Pela primeira vez na “sonogenética”, os pesquisadores controlam células de mamíferos com som

Pela primeira vez na “sonogenética”, os pesquisadores controlam células de mamíferos com som

Os pesquisadores da Salk identificam uma proteína de mamífero sensível ao som que permite ativar o cérebro, o coração ou outras células com ultrassom

LA JOLLA—Cientistas do Salk projetaram células de mamíferos para serem ativadas usando ultrassom. O método, que a equipe usou para ativar células humanas em um prato e células cerebrais dentro de camundongos vivos, abre caminho para versões não invasivas de estimulação cerebral profunda, marca-passos e bombas de insulina. As descobertas foram publicadas em Natureza das Comunicações fevereiro 9, 2022.

“Ir sem fio é o futuro para quase tudo”, diz o autor sênior Sreekanth Chalasani, professor associado do Laboratório de Neurobiologia Molecular de Salk. “Já sabemos que o ultrassom é seguro e pode atravessar ossos, músculos e outros tecidos, tornando-o a melhor ferramenta para manipular células profundas no corpo.”

Cerca de uma década atrás, Chalasani foi pioneiro na ideia de usar ondas ultrassônicas para estimular grupos específicos de células geneticamente marcadas e cunhou o termo “sonogenética” para descrevê-lo. Em 2015, seu grupo mostrou que, na lombriga Caenorhabditis elegans, uma proteína chamada TRP-4 torna as células sensíveis ao ultrassom de baixa frequência. Quando os pesquisadores adicionaram TRP-4 ao C. elegans neurônios que normalmente não o têm, eles podem ativar essas células com uma explosão de ultrassom - as mesmas ondas sonoras usadas em ultrassonografias médicas.

Quando os pesquisadores tentaram adicionar TRP-4 a células de mamíferos, no entanto, a proteína não foi capaz de fazer com que as células respondessem ao ultrassom. Algumas proteínas de mamíferos foram relatadas como sensíveis ao ultrassom, mas nenhuma parecia ideal para uso clínico. Então Chalasani e seus colegas partiram em busca de uma nova proteína de mamífero que tornasse as células altamente sensíveis ao ultrassom de 7 MHz, considerada uma frequência ideal e segura.

“Nossa abordagem foi diferente das telas anteriores porque nos propusemos a procurar canais sensíveis ao ultrassom de maneira abrangente”, diz Yusuf Tufail, ex-cientista de projetos da Salk e coautor do novo artigo.

Os pesquisadores adicionaram centenas de proteínas diferentes, uma de cada vez, a uma linha celular de pesquisa humana comum (HEK), que geralmente não responde ao ultrassom. Em seguida, eles colocam cada cultura de células em uma configuração que permite monitorar as alterações nas células após a estimulação por ultrassom.

Depois de rastrear proteínas por mais de um ano e trabalhar em quase 300 candidatos, os cientistas finalmente encontraram uma que tornava as células HEK sensíveis à frequência de ultrassom de 7 MHz. O TRPA1, uma proteína de canal, era conhecido por permitir que as células respondessem à presença de compostos nocivos e por ativar uma variedade de células no corpo humano, incluindo células do cérebro e do coração.

Mas a equipe de Chalasani descobriu que o canal também se abriu em resposta ao ultrassom nas células HEK.

“Ficamos realmente surpresos”, diz o co-autor do artigo Marc Duque, um estudante de intercâmbio de Salk. “O TRPA1 foi bem estudado na literatura, mas não foi descrito como uma proteína mecanossensível clássica que você esperaria responder ao ultrassom”.

Para testar se o canal poderia ativar outros tipos de células em resposta ao ultrassom, a equipe usou uma abordagem de terapia genética para adicionar os genes do TRPA1 humano a um grupo específico de neurônios no cérebro de camundongos vivos. Quando administraram ultrassom aos camundongos, apenas os neurônios com os genes TRPA1 foram ativados.

Os médicos que tratam condições como a doença de Parkinson e a epilepsia atualmente usam estimulação cerebral profunda, que envolve a implantação cirúrgica de eletrodos no cérebro para ativar certos subconjuntos de neurônios. Chalasani diz que a sonogenética pode um dia substituir essa abordagem – o próximo passo seria desenvolver um método de entrega de terapia genética que possa atravessar a barreira hematoencefálica, algo que já está sendo estudado.

Talvez mais cedo, diz ele, a sonogenética possa ser usada para ativar as células do coração, como uma espécie de marca-passo que não requer implantação. “Já existem técnicas de entrega de genes para colocar um novo gene – como o TRPA1 – no coração humano”, diz Chalasani. “Se pudermos usar um dispositivo de ultrassom externo para ativar essas células, isso pode realmente revolucionar os marcapassos.”

Por enquanto, sua equipe está realizando um trabalho mais básico sobre exatamente como o TRPA1 detecta o ultrassom. “Para tornar essa descoberta mais útil para futuras pesquisas e aplicações clínicas, esperamos determinar exatamente quais partes do TRPA1 contribuem para sua sensibilidade ao ultrassom e ajustá-las para aumentar essa sensibilidade”, diz Corinne Lee-Kubli, coautora do estudo. do jornal e ex-colega de pós-doutorado em Salk.

Eles também planejam realizar outra triagem para proteínas sensíveis ao ultrassom - desta vez procurando por proteínas que possam inibir ou desligar a atividade de uma célula em resposta ao ultrassom.

Os outros autores do artigo foram Uri Magaram, Janki Patel, Ahana Chakraborty, Jose Mendoza Lopez, Eric Edsinger, Rani Shiao e Connor Weiss de Salk; e Aditya Vasan e James Friend da UC San Diego.

O trabalho foi financiado pelos National Institutes of Health (R01MH111534, R01NS115591), Brain Research Foundation, Kavli Institute of Brain and Mind, Life Sciences Research Foundation, WM Keck Foundation (SERF) e Waitt Advanced Biophotonics e GT3 Cores (que recebem financiamento através do NCI CCSG P30014195 e NINDSR24).