Ультразвук заставил мышей впадать в спячку

Ещё с 1960-х годов искусственное подобие спячки рассматривали как потенциальный способ спасения пациентов в жизнеугрожающих состояниях. Например, при инсульте или инфаркте замедленный за счет искусственной спячки метаболизм снижал бы скорость развития заболевания. Пока что не разработано методов, которые позволили бы эффективно и безопасно ввести человека в гибернацию, однако ведутся исследования естественной спячки, свойственной некоторым животным. Недавние исследования показали, что у спячных животных этот процесс регулирует особая популяция нейронов в преоптической области гипоталамуса. Активация этих нейронов опто- и хемогенетическими методами позволяет управлять спячкой мышей.

Авторы недавней публикации в Nature Metabolism проверили, можно ли добиться такого эффекта неинвазивными подходами. В качестве метода активации они выбрали ультразвук — это единственный способ направлять точно сфокусированную энергию сквозь кости черепа, не прибегая к ионизирующему излучению.

Исследования вели на животной модели — мышам проводили транскраниальную ультразвуковую стимуляцию преоптической области гипоталамуса. На голове мыши закрепляли источник ультразвука, с помощью которого можно было управляемо воздействовать ультразвуком на интересующий участок гипоталамуса. Компактные размеры устройства и подвижность его крепления к проводам не мешали мышам свободно перемещаться по клетке. Съемка мышей в инфракрасном диапазоне показала, что стимуляция преоптической области гипоталамуса ультразвуком приводила к снижению температуры тела и понижению активности самих животных.

Исследование метаболизма выявило, что ультразвук подавляет потребление кислорода, а затем снижает внутреннюю температуру тела (ее измеряли имплантированным в брюшную полость датчиком). Температура при такой стимуляции снижалась на 3,26 ± 0,19 °C, а объем потребляемого кислорода — на 36,61 ± 1,74 %. Продолжительность этого эффекта составляла около часа, что, по словам авторов, сопоставимо с природной спячкой. Респираторный коэффициент (дыхательный коэффициент, RQ) у таких мышей снизился до 0,72 ± 0,01 — это свидетельствует о переключении метаболизма на окисление жиров, что типично для спячки.

Затем ученые сконструировали замкнутую систему управления, которая автономно обеспечивала бы УЗ стимуляцию, опираясь на данные измерения внутренней температуры тела. Ультразвук в такой системе был включен только тогда, когда температура тела превышала пороговое значение 34 °C, и отключался в противном случае. Всего эксперимент длился 30 часов, 24 из которых была активна система управления ультразвуковой стимуляцией. В течение этого времени предложенная система поддерживала температуру тела модельных животных на уровне 32,95 ± 0,45 °C. По завершении эксперимента температура тела мышей и их активность вернулись в норму.

Чтобы определить, какие именно нейроны активируются ультразвуком и заставляют мышей впасть в спячку, использовали иммунофлуоресцентное окрашивание и флуоресцентную гибридизацию in situ (FISH). Оказалось, что экспрессия маркера активации нейронов Fos была повышена в медиальной преоптической области, медиальном преоптическом ядре и перивентрикулярном ядре гипоталамуса. Анализ динамики нейрональной активности, основанный на детекции внутриклеточных ионов кальция с помощью GCaMP6s, выявил, что стимуляция ультразвуком увеличивает амплитуду пиков активности и их частоту. Эти изменения совпадали по времени со снижением температуры тела.

Высокопроизводительное секвенирование РНК единичных ядер показало, что в активируемых ультразвуком нейронах повышена экспрессия ионного канала TRPM2. Этот белок относится к семейству термочувствительных каналов. Дальнейший анализ установил, что TRPM2 действительно восприимчив к ультразвуку. Для этого ученые получили клетки линии HEK293T, оверэкспрессирующие TRPM2. На такой модели авторы продемонстрировали, что ультразвук стимулирует вход ионов кальция в клетку, несвойственный клеткам HEK293T дикого типа. Блокировка TRPM2 подавляла этот эффект ультразвука.

Таким образом, исследователи продемонстрировали, что индуцировать спячку у мышей можно при помощи ультразвука. Это, однако, не единственный важный результат проделанной работы. Особый интерес представляет то, что ультразвуком можно стимулировать гипотермию даже у тех животных, которые в норме к гибернации неспособны. Эффект воздействия ультразвука проверяли на крысах, которые, в отличие от мышей, неспособны к сезонной или кратковременной спячке. На голове крысы закрепляли носимый источник ультразвука, аналогичный тем, что применялись для исследований на мышах. Оказалось, что транскраниальная ультразвуковая стимуляция преоптической области гипоталамуса индуцировала снижение наружной и внутренней температуры тела.

Полученные результаты указывают на то, что в спячку возможно вводить и неспячных животных. Авторы, однако, отмечают необходимость дальше изучать вопрос, чтобы лучше понимать сходства и различия между индуцированной ультразвуком и природной спячкой на различных уровнях. Кроме того, важно найти способ быстро и безопасно выходить из индуцированной ультразвуком гибернации и установить, насколько безопасным будет применение такой технологии на крупных млекопитающих, в том числе человеке.