超声波激活表达人类通道的哺乳动物细胞

与新兴的光遗传学领域并行发展，索尔克生物研究所的科学家们鉴定了一种人类通道蛋白(hsTRPA1)，并在培养的哺乳动物细胞和活体动物模型中对其进行改造，以赋予细胞对安全和安全的特异性敏感性。无创超声刺激。

证据，例如超声波能够通过完整的头骨引起大脑感觉的能力，引起了人们对利用超声波进行研究和治疗的极大兴趣。先前的研究已经使用超声波来指导人类和其他动物的神经元功能，但这些努力由于缺乏特异性而受到限制。

这是第一项揭示分子机制的研究，该分子机制可以使用安全的超声波频率来调节完整哺乳动物大脑中的神经元，使我们离无创深部脑刺激、起搏器和胰岛素泵又近了一步。

该研究结果发表在《自然通讯》上，题为“使用外源瞬时受体电位A1通道对哺乳动物细胞进行声遗传学控制”的文章。

上左起：SreekanthChalasani和CorinneLee-Kubli。下左起：MarcDuque和YusufTufail。[索尔克研究所。]

索尔克分子神经生物学实验室副教授、该论文的资深作者SreekanthChalasani博士表示：“我们已经知道超声波是安全的，它可以穿过骨骼、肌肉和其他组织，这使其成为治疗疾病的终极工具。操纵身体深处的细胞。”查拉萨尼创造了“声遗传学”一词来描述他使用超声波刺激基因工程细胞的方法。

Chalasani团队的一项早期研究发现了一种名为TRP-4的蛔虫蛋白，当该蛋白被引入到通常不表达该蛋白的蠕虫神经元中时，会使它们对低频超声波敏感。然而，TRP4不能赋予哺乳动物细胞超声波敏感性。

尽管其他小组的工作已经确定了几种超声敏感蛋白质，但有限的空间分辨率和用于刺激这些蛋白质的条件不切实际，使得它们不适合临床使用，特别是可穿戴设备。

Chalasani决定使用频率相对较低(7MHz)的超声波，可以聚焦到较小的体积(107立方微米)，并对HEK细胞中的近300种蛋白质进行全面筛选，以确定对这种低超声波有反应的哺乳动物蛋白质频率。

最终，研究小组确定了通道蛋白TRPA1，将其引入HEK细胞后，可使HEK细胞对7MHz频率的超声波敏感。通常情况下，TRPA1存在于包括神经元在内的多种细胞中，并对有毒化合物的存在做出反应。研究小组使用基因疗法将人类TRPA1基因引入活体小鼠大脑的一组神经元中，并证明了对超声波的选择性神经敏感性。

索尔克交换生、该论文的共同第一作者MarcDuque和该团队对这一发现感到惊讶，他说：“TRPA1已在文献中得到充分研究，但尚未被描述为经典的机械敏感蛋白你期望对超声波做出反应。”

目前，用于治疗帕金森病和癫痫症的深部脑刺激涉及通过手术在大脑中植入电极，以激活神经元子集。查拉萨尼认为声遗传学与基因疗法相结合可以提供一种无创且更安全的替代方案。

Chalasani说：“基因传递技术已经存在，可以将TRPA1等新基因导入人类心脏。”“如果我们能够使用外部超声波设备来激活这些细胞，那将真正彻底改变起搏器。”

Chalasani的团队目前正在研究TRPA1检测超声波能力的确切机制。该论文的共同第一作者、索尔克大学前博士后研究员CorinneLee-Kubli博士说：“我们希望准确确定TRPA1的哪些部分对其超声敏感性有贡献，并调整它们以增强这种敏感性。”

揭示这些基本的生物学见解将提高该发现的研究和治疗应用价值。此外，该团队正在进行筛选，以检测阻止细胞对超声波做出反应的能力的蛋白质，以便该技术可以双向控制。