Нейроны млекопитающих можно контролировать ультразвуком

Около десятилетия назад Шрикант Чаласани, доцент Института биологических исследований Солка (США), разработал способ применения ультразвука для стимуляции генетически модифицированных клеток. Новый подход был назван соногенетикой (sonogenetics).

В 2015 году группа Чаласани показала, что экспрессия механорецептора TRP-4 в нейронах Caenorhabditis elegans делает нейроны чувствительными к ультразвуку. Экспрессия TRP-4 в клетках млекопитающих не давала такого эффекта. Ученые задались целью найти белок, который делал бы клетки млекопитающих чувствительными к ультразвуку, и рассказали о результатах поиска в новой статье.

TRP-4 — это порообразующая субъединица канала, который обеспечивает передачу механического стимула. На первом этапе ученые провели скрининг библиотеки из 191 канала и их гомологов на клетках HEK-293T, которые в норме не отвечают на ультразвук, и исследовали изменение концентрации внутриклеточного кальция при ультразвуковой стимуляции. Наиболее сильный ответ на ультразвук обеспечивал белок hsTRPA1, который в организме человека реагирует на ядовитые вещества и активирует ответ на них. Клетки, экспрессирующие hsTRPA1, отвечали на ультразвук частотой от 1 до 7 МГц.

Чтобы понять механизм чувствительности к ультразвуку, ученые секвенировали ген человеческого hsTRPA1 и девяти его гомологов. Оказалось, что у млекопитающих на внутриклеточном N-конце TRPA1 находится высококонсервативный мотив из 61 аминокислоты. Утрата этого мотива приводит к полной нечувствительности к ультразвуку. Кроме того, ответ на ультразвук ингибировался при обработке клеток веществами, деполимеризующими актин. Еще одним важным компонентом передачи ультразвукового сигнала оказался холестерин: клетки, экспрессирующие hsTRPA1, теряли чувствительность к ультразвуку при делеции трансмембранного мотива белка, распознающего холестерин, а также при дефиците холестерина.

На следующем этапе ученые провели эксперименты на мышиных первичных эмбриональных корковых нейронах. Экспрессию hsTRPA1 обеспечивали, инфицируя их конструкцией на основе аденоассоциированного вектора. Как и в экспериментах с HEK-293T, hsTRPA1 стимулировал повышение концентрации кальция внутри клетки в ответ на ультразвук.

Наконец, с помощью аденоассоциированного вектора ученые экспрессировали hsTRPA1 в V слое коры больших полушарий мышей. В норме TRPA1 в мозге отсутствует. При ультразвуковой стимуляции с частотой 7 МГц у мышей активировались нейроны в пределах заданного участка мозга. Ни генно-терапевтические манипуляции, ни стимуляция ультразвуком не привели к нарушению гематоэнцефалического барьера или изменению поведения мышей.

Чаласани надеется, что однажды соногенетика заменит инвазивные методы лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона, а также будет использоваться для активации клеток сердца. Ученые уже работают способами доставки терапевтических белков через гематоэнцефалический барьер. Кроме того, они планируют более подробно изучить механизм ответа на ультразвуковые стимулы и найти новые белки, чувствительные к ним.