محققان یک پروتئین پستانداران حساس به صدا را مشخص کردند که به آنها اجازه می دهد مغز، قلب یا سلول های دیگر را با سونوگرافی فعال کنند —

سریکانت چالاسانی، نویسنده ارشد و دانشیار آزمایشگاه نوروبیولوژی مولکولی سالک می‌گوید: «بی‌سیم کردن تقریباً آینده همه چیز است. ما قبلاً می دانیم که اولتراسوند بی خطر است و می تواند از استخوان، ماهیچه و سایر بافت ها عبور کند و آن را به ابزاری نهایی برای دستکاری سلول های اعماق بدن تبدیل می کند.

حدود یک دهه پیش، چالاسانی ایده استفاده از امواج اولتراسونیک برای تحریک گروه‌های خاصی از سلول‌های مشخص‌شده ژنتیکی را مطرح کرد و اصطلاح «سونوژنتیک» را برای توصیف آن ابداع کرد. در سال 2015، گروه او نشان داد که در کرم گرد Caenorhabditis elegansپروتئینی به نام TRP-4 سلول ها را به سونوگرافی با فرکانس پایین حساس می کند. زمانی که محققان TRP-4 را به آن اضافه کردند سی الگانس نورون‌هایی که معمولاً آن را نداشتند، می‌توانند این سلول‌ها را با یک انفجار اولتراسوند فعال کنند – همان امواج صوتی که در سونوگرافی‌های پزشکی استفاده می‌شود.

با این حال، زمانی که محققان سعی کردند TRP-4 را به سلول‌های پستانداران اضافه کنند، پروتئین قادر به واکنش سلول‌ها به سونوگرافی نبود. چند پروتئین پستانداران به سونوگرافی حساس گزارش شد، اما هیچ کدام برای استفاده بالینی ایده آل به نظر نمی رسید. بنابراین چالاسانی و همکارانش به جستجوی پروتئین پستاندارانی جدید پرداختند که سلول‌ها را در فرکانس 7 مگاهرتز به شدت به فراصوت حساس می‌کند، فرکانس بهینه و ایمن.

یوسف توفیل، دانشمند سابق پروژه در سالک و نویسنده اول مقاله جدید، می گوید: «رویکرد ما با صفحه نمایش های قبلی متفاوت بود، زیرا ما به دنبال کانال های حساس به اولتراسوند به روشی جامع هستیم.

محققان صدها پروتئین مختلف را در یک زمان به یک رده سلولی مشترک تحقیقاتی انسانی (HEK) اضافه کردند که معمولاً به سونوگرافی پاسخ نمی‌دهد. سپس، آنها هر کشت سلولی را تحت مجموعه‌ای قرار می‌دهند که به آنها اجازه می‌دهد تغییرات سلول‌ها را پس از تحریک اولتراسوند نظارت کنند.

پس از غربالگری پروتئین ها به مدت بیش از یک سال، و بررسی مسیر خود از طریق نزدیک به 300 کاندید، سرانجام دانشمندان موفق به یافتن یکی از آنها شدند که سلول های HEK را به فرکانس سونوگرافی 7 مگاهرتز حساس می کرد. TRPA1، یک پروتئین کانال، شناخته شده بود که به سلول ها اجازه می دهد به حضور ترکیبات مضر واکنش نشان دهند و طیف وسیعی از سلول ها را در بدن انسان از جمله سلول های مغز و قلب فعال کند.

اما تیم چالاسانی کشف کردند که کانال در پاسخ به سونوگرافی در سلول‌های HEK نیز باز شد.

مارک دوک، یکی از دانشجویان مبادله سالک، می گوید: «ما واقعاً شگفت زده شدیم. TRPA1 به خوبی در ادبیات مطالعه شده است، اما به عنوان یک پروتئین حساس مکانیکی کلاسیک توصیف نشده است که شما انتظار دارید به سونوگرافی پاسخ دهد.

برای آزمایش اینکه آیا این کانال می‌تواند انواع سلول‌های دیگر را در پاسخ به امواج فراصوت فعال کند، تیم از یک رویکرد ژن درمانی برای افزودن ژن‌های TRPA1 انسانی به گروه خاصی از نورون‌ها در مغز موش‌های زنده استفاده کرد. هنگامی که آنها سونوگرافی را روی موش ها انجام دادند، فقط نورون های دارای ژن TRPA1 فعال شدند.

پزشکانی که شرایطی از جمله بیماری پارکینسون و صرع را درمان می‌کنند در حال حاضر از تحریک عمیق مغزی استفاده می‌کنند که شامل کاشت الکترودهای جراحی در مغز برای فعال کردن زیرمجموعه‌های خاصی از نورون‌ها است. چالاسانی می‌گوید که سونوژنتیک می‌تواند روزی جایگزین این رویکرد شود – گام بعدی توسعه یک روش ژن درمانی است که می‌تواند از سد خونی مغزی عبور کند، چیزی که در حال حاضر در حال مطالعه است.

او می‌گوید شاید زودتر بتوان از سونوژنتیک برای فعال کردن سلول‌های قلب، به عنوان نوعی ضربان‌ساز که نیازی به کاشت ندارد، استفاده کرد. چالاسانی می‌گوید: «تکنیک‌های انتقال ژن از قبل برای وارد کردن یک ژن جدید – مانند TRPA1 – به قلب انسان وجود دارد. اگر بتوانیم از یک دستگاه سونوگرافی خارجی برای فعال کردن این سلول ها استفاده کنیم، واقعاً می تواند ضربان سازها را متحول کند.

در حال حاضر، تیم او در حال انجام کارهای اساسی تری در مورد اینکه چگونه TRPA1 سونوگرافی را حس می کند، انجام می دهد. کورین لی کوبلی، نویسنده اول، می گوید: «به منظور مفیدتر کردن این یافته برای تحقیقات آینده و کاربردهای بالینی، ما امیدواریم که دقیقاً مشخص کنیم چه بخش هایی از TRPA1 به حساسیت فراصوت آن کمک می کند و آنها را برای افزایش این حساسیت تغییر دهیم. از مقاله و همکار سابق فوق دکترا در سالک.

آنها همچنین قصد دارند غربالگری دیگری را برای پروتئین های حساس به اولتراسوند انجام دهند – این بار به دنبال پروتئین هایی هستند که می توانند فعالیت سلول را در پاسخ به سونوگرافی مهار یا خاموش کنند.

نویسندگان دیگر این مقاله عبارتند از: یوری ماگارام، جانکی پاتل، آهانا چاکرابورتی، خوزه مندوزا لوپز، اریک ادسینگر، رانی شیائو و کانر ویس از سالک. و آدیتیا واسان و جیمز فرند از یو سی سن دیگو.

این کار توسط مؤسسه ملی سلامت (R01MH111534، R01NS115591)، بنیاد تحقیقات مغز، مؤسسه مغز و ذهن Kavli، بنیاد تحقیقات علوم زیستی، بنیاد WM Keck (SERF) و هسته‌های Waitt Advanced Biophotonics و GT3 (که دریافت می‌کنند) پشتیبانی می‌شود. تامین مالی از طریق NCI CCSG P30014195 و NINDSR24).