음파는 진동하는 글로우 라이트로 표시됩니다. natrot / Shutterstock.com

심장 박동기를 심장 박동기에 이식하기 위해 수술이 필요하지 않은 경우 어떻게해야합니까? 인슐린 주사없이 혈당 수치를 조절하거나 버튼을 누르지 않아도 발작을 완화 할 수 있다면 어떨까요?

나와 과학자 팀 내 실험실 에 솔크 연구소 소리를 사용하여 세포의 활동을 비 침습적으로 제어하는 ​​능력 인 소노 제네틱스 (sonogenetics)로 알려진 새로운 기술을 개발함으로써 이러한 과제를 해결하고있다

빛에서 소리로

나는 신경 과학자이다 뇌가 어떻게 환경 변화를 감지하고 반응하는지 이해하는 데 관심이 있습니다. 신경 과학자들은 항상 살아있는 뇌의 뉴런에 영향을 미치는 방법을 찾고 있습니다. 그래서 우리는 결과를 분석하고 뇌의 작동 방식과 뇌 장애를 더 잘 치료하는 방법을 모두 이해할 수 있습니다.

이러한 특정 변경 사항을 만들려면 새로운 도구를 개발해야합니다. 지난 20 년 동안 내 분야의 연구원을위한 이동 도구는 광 유전학으로, 동물의 조작 된 뇌 세포는 빛으로 제어됩니다. 이 과정은 동물의 뇌 내부에 광섬유를 삽입하여 대상 부위에 빛을 전달하는 것입니다.

이 신경 세포가 파란 빛에 노출되면 빛에 민감한 단백질이 활성화되어 뇌 세포가 서로 통신하여 동물의 행동을 수정할 수 있습니다. 예를 들어 파킨슨 병이있는 동물은 빛을 비추어 자신의 비자발적 떨림을 치료 특별히 고안된 뇌 세포에서 빛에 민감하게 반응합니다. 그러나 명백한 단점은이 절차가 케이블을 뇌에 외과 적으로 이식하는 것, 즉 사람들에게 쉽게 번역 될 수없는 전략에 달려 있다는 것입니다.

저의 목표는 빛을 사용하지 않고 뇌를 조작하는 방법을 알아내는 것이 었습니다.

사운드 컨트롤

비 침습적이고 안전한 사람의 청각 범위를 넘어서는 음파 인 초음파가 세포를 제어하는 ​​좋은 방법이라는 것을 알았습니다. 소리는 기계적 에너지의 한 형태이기 때문에 뇌 세포가 기계적으로 민감해질 수 있다면 초음파로 수정할 수 있다고 생각했습니다. 이 연구를 통해 우리는 최초의 천연 단백질 기계 검출기 뇌 세포를 초음파에 민감하게 만들었습니다.

우리의 기술은 두 단계로 작동합니다. 먼저 바이러스를 전달 장치로 사용하여 뇌 기능 장애에 새로운 유전자 물질을 도입합니다. 이것은 세포에 초음파 반응 단백질을 만들기위한 지침을 제공합니다.

다음 단계는 소리에 민감한 단백질로 세포를 표적으로하는 동물의 몸 외부의 장치에서 초음파 펄스를 방출하는 것입니다. 초음파 펄스는 원격으로 세포를 활성화시킵니다.

Infrasound, 가청 및 초음파 및들을 수있는 동물의 소리 주파수 범위. 사람들은 20 Hz와 20,000 Hz 사이에서만들을 수 있습니다. Designua / Shutterstock.com

벌레의 증거

우리는 처음으로 어떻게 sonogenetics는 뉴런을 활성화하는 데 사용할 수 있습니다 미세한 벌레에서 Caenorhabditis elegans.

유전자 기법을 사용하여 초음파 압력 변화에 민감한 TRP-4라는 웜의 뉴런에 존재하는 자연 발생 단백질을 확인했습니다. 초음파 범위에서 발생하는 음압 파는 사람의 청력에 대한 정상 임계 값보다 높습니다. 박쥐, 고래 및 심지어 나방을 포함한 일부 동물은 이러한 초음파 주파수에서 통신 할 수 있지만, 실험에 사용 된 주파수는이 동물이 감지 할 수있는 것보다 훨씬 뛰어납니다.

우리 팀과 저는 TRP-4 단백질을 가진 뉴런이 초음파 주파수에 민감하다는 것을 보여주었습니다. 이 주파수의 음파는 웜의 동작을 변경했습니다. 웜의 302 뉴런 중 2 개를 유전자 변형하여 TRP-4 유전자를 추가했습니다. 우리는 이전 연구에서 알았습니다 기계화와 관련이있었습니다.

우리는 마치 웜 리모콘을 사용하는 것처럼 초음파 펄스가 웜의 방향을 바꾸는 방법을 보여주었습니다. 이러한 관찰은 우리가 뇌에 아무것도 삽입하지 않고 살아있는 동물의 뇌 기능을 연구하는 도구로 초음파를 사용할 수 있음을 증명했습니다.

소리에 민감한 단백질을 운반하는 웜에 초음파 펄스를 보내면 방향이 바뀝니다.

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초음파의 장점

이 초기 발견은 세포가 소리에 의해 어떻게 흥분 될 수 있는지에 대한 통찰력을 제공하는 새로운 기술의 탄생을 의미했습니다. 또한, 우리의 결과는 sonogenetics가 다양한 세포 유형과 세포 기능을 조작하는 데 적용될 수 있다고 제안합니다.

C. 엘레 302 뉴런 만있는 동물은 비교적 단순하기 때문에이 기술을 개발하기에 좋은 출발점이되었습니다. 이 중 TRP-4는 단지 8 개의 뉴런에 있습니다. 따라서 우리는 먼저 TRP-4를 추가하고 이러한 특정 뉴런에서 초음파를 정확하게 지시하여 다른 뉴런을 제어 할 수 있습니다.

그러나 웜과 달리 인간에게는 TRP-4 유전자가 없습니다. 제 계획은 소리에 민감한 단백질을 우리가 통제하고자하는 특정 인간 세포에 도입하는 것입니다. 이 접근법의 장점은 초음파가 인체의 다른 세포를 방해하지 않는다는 것입니다.

TRP-4 이외의 단백질이 초음파에 민감한 지 여부는 현재 알려져 있지 않습니다. 그러한 단백질이 있다면 실험실과 현장에서 집중적으로 연구하는 분야가 있습니다.

초음파 학의 가장 큰 장점은 뇌 임플란트가 필요하지 않다는 것입니다. 소 생체학의 경우, 복제 할 수없는 인공 공학 바이러스를 사용하여 유전자 물질을 뇌 세포에 전달합니다. 이를 통해 세포는 소리에 민감한 단백질을 생산할 수 있습니다. 이 방법은 인간 혈액에 유전 물질을 전달 과 심장 근육 세포 돼지에서.

Sonogenetics는 개발 초기 단계에 있지만 Parkinson, 간질 및 운동 이상증을 포함한 다양한 운동 관련 장애에 대한 새로운 치료 전략을 제공합니다. 이 모든 질병에서 특정 뇌 세포는 작동을 멈추고 정상적인 움직임을 예방합니다. Sonogenetics는 의사가 특정 위치 또는 시간에 뇌 세포를 켜거나 끌 수 있으며 뇌 수술없이 이러한 운동 장애를 치료할 수 있습니다.

이것이 작동하기 위해서는 뇌의 표적 부위가 소리에 민감한 단백질의 유전자를 가지고있는 바이러스에 감염 될 필요가있을 것입니다. 이것은 생쥐에서 이루어졌지만 아직 인간에서는 이루어지지 않았습니다. 유전자 치료법이 점점 더 정교 해지고 있으며, 다른 연구자들이 우리의 초음파 기술에 대한 준비가 될 때까지 어떻게해야 할지를 기대하고 있습니다.

초음파 생성

우리는 받았다 실질적인 지원 이 기술을 발전시키고 초기 연구에 연료를 공급하고 학제 간 팀을 구성합니다.

추가 자금으로 국방 고급 연구 프로젝트 기관에서 ElectRx 프로그램우리는 뉴런을“끄는”데 도움이되는 단백질을 찾는 데 집중할 수 있습니다. 우리는 최근 뉴런을 활성화시키기 위해 조작 할 수있는 단백질을 발견했습니다 (미공개 작업). 이것은 파킨슨 병과 같은 중추 신경계 질환을 치료하는 데 사용할 수있는 치료 전략을 개발하는 데 중요합니다.

미모사 푸 디카 식물의 잎을 만지면 잎이 닫히는 폴딩 반응이 시작됩니다. 식물은 또한 초음파에 민감하여 동일한 반응을 유발할 수 있습니다.

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우리 팀은 또한 초음파 기술을 확장하기 위해 노력하고 있습니다. 우리는 이제“터치 미 (touch me not)”(미모사 푸디 카), 초음파에 민감합니다. 이 식물의 잎이 만지거나 흔들릴 때 안쪽으로 접 히고 접히는 것으로 알려진 것처럼 초음파 펄스를 고립 된 가지에 적용하면 동일한 반응이 나타납니다. 마지막으로 초음파가 췌장 세포에서 인슐린 분비와 같은 대사 과정에 영향을 줄 수 있는지 테스트하는 다른 방법을 개발하고 있습니다.

Sonogenetics는 언젠가 약물 치료를 피하고, 침습성 뇌 수술의 필요성을 제거하며 외상 후 스트레스 장애 및 운동 장애에서 만성 통증에 이르는 조건에 유용 할 수 있습니다. 소노 제네틱스의 큰 잠재력은이 기술이 췌장의 인슐린 생성 세포에서 심장 박동에 이르기까지 거의 모든 유형의 세포를 제어하는 ​​데 적용될 수 있다는 것입니다.

우리는 소노 제네틱스가 신경 과학과 의학 분야에 혁명을 일으키기를 희망합니다.

저자에 관하여

스리 칸스 샬라 사니분자 신경 생물학 부교수 (Salk Institute) 및 신경 생물학 부교수, 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스

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