音波は、振動するグローライトとして表示されます。 natrot / Shutterstock.com

欠陥のある心臓にペースメーカーを埋め込むために手術を必要としなかったらどうしますか？ インスリンを注射せずに血糖値を制御したり、ボタンを押さなくても発作の発症を緩和できたらどうでしょうか？

私と科学者チーム 私の研究室 ソークインスティチュート 音響を使用して細胞の活動を非侵襲的に制御するソノジェネティクスとして知られる新しい技術を開発することにより、これらの課題に取り組んでいます。

光から音へ

私は神経科学者です 脳がどのように環境の変化を検出して反応するかを理解することに興味があります。 結果を分析し、その脳がどのように機能し、脳障害をよりよく治療するかを理解できるように、神経科学者は常に生きている脳のニューロンに影響を与える方法を探しています。

これらの特定の変更を作成するには、新しいツールの開発が必要です。 過去20年間、私の分野の研究者にとって重要なツールは光遺伝学でした。 動物の人工脳細胞は光で制御されています。 このプロセスでは、動物の脳の奥深くに光ファイバーを挿入して、標的部位に光を送ります。

これらの神経細胞が青色光にさらされると、光に敏感なタンパク質が活性化され、それらの脳細胞が互いに通信して動物の行動を修正できるようになります。 たとえば、パーキンソン病の動物は 光を照らして不随意の振戦を治した 特別に設計された脳細胞を光感受性にする。 しかし、明らかな欠点は、この手順が脳にケーブルを外科的に埋め込むことに依存していることです。これは、人に簡単に変換できない戦略です。

私の目標は、光を使わずに脳を操作する方法を見つけることでした。

サウンドコントロール

超音波（非侵襲的で安全な人間の聴覚の範囲を超える音波）が細胞を制御する優れた方法であることを発見しました。 音は機械的エネルギーの一形態であるため、脳細胞を機械的に敏感にすることができれば、超音波で修正できると考えました。 この研究により、 最初の自然発生タンパク質機械検出器 それは脳細胞を超音波に敏感にしました。

当社の技術は2段階で機能します。 最初に、ウイルスを送達デバイスとして使用して、機能不全の脳細胞に新しい遺伝物質を導入します。 これは、これらの細胞が超音波応答性タンパク質を作るための指示を提供します。

次のステップは、動物の体外のデバイスから超音波パルスを放出し、音に敏感なタンパク質で細胞を標的にします。 超音波パルスは、細胞を遠隔で活性化します。

超低周波音、可聴波、超音波、およびそれらを聞くことができる動物の音の周波数範囲。 人々は20 Hzと20,000 Hzの間でのみ聞くことができます。 Designua / Shutterstock.com

ワームの証拠

私たちはどのように示した最初の ソノジェネティクスはニューロンの活性化に使用できます と呼ばれる微細なワームで シノラブディス·エレガンス.

遺伝的手法を使用して、TRP-4と呼ばれる自然発生タンパク質を特定しました。これは、ワームのニューロンの一部に存在し、超音波圧力変化に敏感です。 超音波領域で発生する音圧波は、人間の聴覚の正常なしきい値を超えています。 コウモリ、クジラ、さらにはmothを含む一部の動物は、これらの超音波周波数で通信できますが、実験で使用される周波数は、これらの動物でさえ検出できるものを超えています。

私のチームと私は、TRP-4タンパク質を含むニューロンが超音波周波数に敏感であることを実証しました。 これらの周波数の音波は、ワームの動作を変更しました。 ワームの302ニューロンの2つを遺伝的に変更し、TRP-4遺伝子を追加しました。 私たちは以前の研究から知っていました 機械感覚に関与していました。

ワームのリモートコントロールを使用しているかのように、超音波パルスによってワームの方向を変える方法を示しました。 これらの観察により、脳に何も挿入せずに、生きている動物の脳機能を研究するためのツールとして超音波を使用できることが証明されました。

音に敏感なタンパク質を運ぶワームに超音波パルスを送信すると、方向が変わります。

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ソノジェネティクスの利点

この最初の発見は、細胞が音によってどのように興奮するかについての洞察を提供する新しい技術の誕生をマークしました。 さらに、私たちの結果は、ソノジェネティクスを適用して、さまざまな細胞タイプと細胞機能を操作できることを示唆していると考えています。

C.エレガンス 動物は比較的単純で、302ニューロンのみであるため、この技術を開発するための良い出発点でした。 これらのうち、TRP-4は8つのニューロンにのみ存在します。 したがって、最初にTRP-4を追加してから、これらの特定のニューロンに超音波を正確に向けることにより、他のニューロンを制御できます。

しかし、人間は、ワームとは異なり、TRP-4遺伝子を持っていません。 私の計画は、私たちが制御したい特定のヒト細胞に音に敏感なタンパク質を導入することです。 このアプローチの利点は、超音波が人体の他の細胞に干渉しないことです。

TRP-4以外のタンパク質が超音波に敏感であるかどうかは現在不明です。 そのようなタンパク質があれば、それを特定することは、私の研究室と現場で熱心に研究されている分野です。

ソノジェネティクスの最大の利点は、脳への移植が不要なことです。 ソノジェネティクスでは、複製できない人工的に作成されたウイルスを使用して、遺伝物質を脳細胞に送達します。 これにより、細胞は音に敏感なタンパク質を製造できます。 この方法は 遺伝物質を人間の血液に届ける & 心筋細胞 豚に。

ソノジェネティクスは、まだ開発の非常に初期の段階ではありますが、パーキンソン病、てんかん、ジスキネジアを含むさまざまな運動関連障害の新しい治療戦略を提供します。 これらのすべての疾患において、特定の脳細胞は機能を停止し、正常な運動を妨げます。 ソノジェネティクスにより、医師は特定の場所または時間に脳細胞をオンまたはオフにし、脳の手術なしでこれらの運動障害を治療することができます。

これが機能するためには、脳の標的領域を音に敏感なタンパク質の遺伝子を運ぶウイルスに感染させる必要があります。 これはマウスで行われましたが、人間ではまだ行われていません。 遺伝子治療はより良く、より正確になりつつあり、他の研究者がソノジェネティック技術の準備が整うまでにこれを行う方法を見つけ出すことを望んでいます。

ソノジェネティクスの拡張

受け取っています 実質的なサポート この技術を進歩させ、最初の研究に燃料を供給し、学際的なチームを設立します。

追加の資金で 国防高等研究計画局から ElectRxプログラム、ニューロンを「オフ」にするのに役立つタンパク質を見つけることに集中できます。 最近、ニューロンを活性化するために操作できるタンパク質を発見しました（未発表の研究）。 これは、パーキンソン病などの中枢神経系疾患の治療に使用できる治療戦略を開発するために重要です。

Mimosa pudica植物の葉に触れると、折り畳み応答がトリガーされ、葉が閉じます。 植物は、同じ反応を引き起こす可能性のある超音波にも敏感です。

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また、ソノジェネティックテクノロジーの拡大にも取り組んでいます。 現在、「touch me not」などの特定の植物（ミモザプディカ）、超音波に敏感です。 この植物の葉に触れたり振ったりすると折りたたまれて内側に折りたたむことが知られているように、孤立した枝に超音波のパルスを加えると同じ反応が得られます。 最後に、超音波が膵臓細胞からのインスリン分泌などの代謝プロセスに影響するかどうかをテストする別の方法を開発しています。

ソノジェネティクスは、いつの日か投薬を回避し、侵襲的な脳手術の必要性を取り除き、心的外傷後ストレス障害や運動障害から慢性疼痛に至るまでの状態に役立つ可能性があります。 ソノジェネティクスの大きな可能性は、膵臓のインスリン産生細胞から心臓のペーシングまで、ほぼすべてのタイプの細胞の制御にこの技術を適用できることです。

私たちの希望は、ソノジェネティクスが神経科学と医学の分野に革命をもたらすことです。

著者について

スリーカント・チャラサニ、分子神経生物学准教授（Salk Institute）および神経生物学助教授、 カリフォルニア大学サンディ​​エゴ校

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