Investigadores usan ultrasonido para controlar neuronas en ratones
ARRIBA: Tinción histológica de la corteza motora de ratón Corinne Lee-Kubli, Chalasani Lab
Hace más de una década, los científicos desarrollaron la optogenética, un método para convertir las células se encienden y se apagan con la luz. La técnica permite a los científicos estimular o suprimir la actividad eléctrica de las células con solo pulsar un interruptor para separar las funciones de tipos de células específicos. Pero debido a que la luz no penetra profundamente en los tejidos, los científicos necesitan implantar quirúrgicamente fuentes de luz para iluminar las células debajo de la superficie de la piel o el cráneo.
En un nuevo estudio publicado hoy (9 de febrero) en Nature Communications, los investigadores informan que han encontrado una forma de utilizar el ultrasonido para activar de forma no invasiva las neuronas de los ratones, tanto en cultivo como en el cerebro de animales vivos. La técnica, que los autores llaman sonogenética, provoca actividad eléctrica en un subconjunto de células cerebrales que han sido modificadas genéticamente para responder a las ondas de sonido.
Sabemos que el ultrasonido es seguro, dice el coautor del estudio Sreekanth Chalasani, un neurocientífico del Laboratorio de Neurobiología Molecular de Salks, le dice a The Scientist. El potencial para el control neuronal es enorme. Tiene aplicaciones para marcapasos, bombas de insulina y otras terapias en las que ni siquiera se estaba pensando.
Jamie Tyler, ingeniero biomédico de la Universidad de Alabama en Birmingham, que no participó en el estudio pero ha colaboró anteriormente con algunos de sus autores, le dice a The Scientist que el trabajo representa más que un simple paso adelante para poder usar el ultrasonido para controlar la actividad neuronal: muestra que la sonogenética es una técnica viable en células de mamíferos .
Chalasani y sus colegas fueron pioneros en una técnica similar hace siete años en gusanos nematodos, Caenorhabditis elegans. Los investigadores aprovecharon una proteína llamada TRP-4, un ion mecanosensible canal que ayuda a los gusanos a sentir cuando sus cuerpos se están estirando y que aparentemente es sensible al ultrasonido. En C. elegans, agregar TRP-4 a las neuronas que normalmente no producían los canales hizo que las neuronas fueran sensibles al ultrasonido.
Ver Estimulación de neuronas con sonido
El siguiente paso intente agregar TRP-4 a células de mamíferos, pero cuando el equipo de investigación lo intentó, no sucedió nada, dice Chalasani.
Durante los siguientes seis años, el laboratorio de Chalasanis continuó esforzándose para lograr que la sonogenética funcione en mamíferos . El equipo quería que las células respondieran a ondas de 7 MHz, que consideran una frecuencia segura para los tejidos vivos.
El sonido es energía mecánica, por lo que observamos proteínas mecánicamente sensibles, dice Chalasani. Pasamos 18 meses probando cada uno de ellos.
Uno por uno, los investigadores diseñaron 300 proteínas en células de riñón epitelial humano (HEK), una línea celular de uso común que normalmente no es sensible al ultrasonido. Su objetivo era diseñar células HEK para producir receptores mecanosensibles en sus membranas que, cuando se activan con ultrasonido, permitirían el paso de iones cargados positivamente, lo que resultaría en una acumulación de carga positiva dentro de la célula. En las neuronas, esta avalancha de iones produciría un potencial de acción.
Finalmente, los investigadores encontraron un canal iónico mecanosensible que respondía a la estimulación por ultrasonido. El receptor TRPA1, también conocido como receptor de wasabi, es un canal de iones no selectivo que se encuentra naturalmente en muchas células de mamíferos. Presente en el intestino, el colon, el estómago, el esófago, el cerebro y el corazón de muchos mamíferos, se cree que el receptor ayuda a sentir el dolor, el frío y el tacto.
Los investigadores diseñaron genéticamente neuronas de ratón en una placa para producir hsTRPA1 y descubrieron que hacerlo podría inducir a las células a responder al ultrasonido. El siguiente paso fue usar una combinación de transgénicos y genes administrados viralmente para administrar hsTRPA1 a las neuronas en lo profundo de la corteza motora en ratones vivos. Utilizando la histología, los investigadores demostraron que estos ratones solo expresaban hsTRPA1 en las neuronas motoras corticales, lo que demuestra que, al igual que con la optogenética, los investigadores podían modificar solo un subconjunto de células. La estimulación ultrasónica a 7 MHz produjo movimiento en las patas delanteras y traseras de los ratones, lo que indica que la estimulación ultrasónica probablemente estaba activando las células alteradas en la corteza motora.
Me pareció un estudio emocionante y brillante, le dice a The Scientist Agrega que uno de sus puntos fuertes es que los investigadores encontraron proteínas que funcionaban con frecuencias ultrasónicas altas. Y al trabajar a altas frecuencias, no alteran las neuronas sanas de ninguna manera. Según Maresca, el ultrasonido de baja frecuencia tiene muchos efectos extraños en la función cerebral.
Los investigadores aún no entienden completamente cómo hsTRPA1 detecta el ultrasonido. A diferencia de otros canales de la familia TRP, el receptor hsTRPA1 no es tradicionalmente mecanosensible, dice Chalasani. Esta fue una gran sorpresa. Esto significaba que el ultrasonido no era en realidad solo un estímulo mecánico. Le estaba haciendo algo más a la célula.
Los investigadores identificaron una parte de la proteína que parece ser importante para la sensibilidad al ultrasonido. Y encontraron que la proteína estructural actina probablemente esté involucrada, ya que los compuestos que degradan la actina disminuyen la sensibilidad de las células al ultrasonido.
La membrana interna de las células está unida a la actina, explica Chalasani, por lo que nuestra predicción es que. . . el ultrasonido está cambiando la membrana externa [de las células] sin afectar la membrana interna. Esto, señala, agrega espacio entre las membranas, lo que posiblemente hace que las células sean más activas eléctricamente. Lo que no sabemos es si pegar TRPA1 en estas membranas permitiría que la membrana se moviera aún más o menos.
Maresca dice que encontrar el mecanismo detrás de la sensibilidad al ultrasonido hsTRPA1 es la pregunta del millón para el campo. Los autores intentan dar algunas pistas sobre este mecanismo, pero creo que la comunidad en general todavía no comprende realmente cómo una onda de ultrasonido activa una neurona, dice.
El potencial para el control neuronal es enorme.
Sreekanth Chalasani, Salk Institute
Los investigadores dicen que esperan que la sonogenética algún día se use terapéuticamente en humanos.
El gran premio será reemplazar el cerebro profundo estimulación, dice Chalasani. La estimulación cerebral profunda, un tratamiento para la depresión mayor y la enfermedad de Parkinson, actualmente se realiza implantando electrodos profundamente en el cerebro que estimulan las células con electricidad. Hipotéticamente, la sonogenética podría permitir a los médicos estimular los centros profundos del cerebro de forma no invasiva. Un principio similar podría funcionar con el nervio vago, agrega Chalasani, un grupo de neuronas en el cuello que transporta información hacia y desde el cerebro y está dirigido a tratamientos para convulsiones, TEPT y depresión.
Tyler dice que está emocionado de ver desarrollos futuros en este proyecto, dado lo mucho que ha avanzado la optogenética en la última década. Hay todo un nuevo reino de posibilidades, dice. Es una nueva caja de herramientas que podemos comenzar a usar.
Maresca dice que también está entusiasmado con las posibles aplicaciones futuras de esta tecnología y dice que, con su enfoque, los investigadores podrían crear una biblioteca o un conjunto de herramientas de genética similar. proteínas que podrían usarse en diferentes frecuencias, para diferentes aplicaciones y en diferentes tejidos, desde la piel hasta el cerebro.