El nuevo campo de la sonogenética utiliza ondas de sonido para controlar el comportamiento de las células cerebrales

El nuevo campo de la sonogenética utiliza ondas de sonido para controlar el comportamiento de las células cerebrales
Las ondas sonoras se muestran como un resplandor oscilante. natrot / Shutterstock.com

¿Qué pasa si no necesita cirugía para implantar un marcapasos en un corazón defectuoso? ¿Qué pasaría si pudiera controlar sus niveles de azúcar en la sangre sin una inyección de insulina o mitigar el inicio de una convulsión sin siquiera presionar un botón?

Yo y un equipo de científicos en mi laboratorio en el Instituto Salk estamos abordando estos desafíos desarrollando una nueva tecnología conocida como sonogenética, la capacidad de controlar de forma no invasiva la actividad de las células mediante el sonido.

De la luz al sonido

Soy neurocientífico interesado en comprender cómo el cerebro detecta los cambios ambientales y responde. Los neurocientíficos siempre están buscando formas de influir en las neuronas de los cerebros vivos para que podamos analizar el resultado y comprender cómo funciona ese cerebro y cómo tratar mejor los trastornos cerebrales.

Crear estos cambios específicos requiere el desarrollo de nuevas herramientas. Durante las últimas dos décadas, la herramienta de referencia para investigadores en mi campo ha sido la optogenética, una técnica en la que las células cerebrales modificadas en animales se controlan con luz. Este proceso implica insertar una fibra óptica en el interior del cerebro del animal para entregar luz a la región objetivo.

Cuando estas células nerviosas se exponen a la luz azul, la proteína sensible a la luz se activa, permitiendo que esas células cerebrales se comuniquen entre sí y modifiquen el comportamiento del animal. Por ejemplo, los animales con enfermedad de Parkinson pueden ser curado de sus temblores involuntarios por la luz brillante en las células cerebrales que han sido especialmente diseñadas para que sean sensibles a la luz. Pero el inconveniente obvio es que este procedimiento depende de implantar quirúrgicamente un cable en el cerebro, una estrategia que no se puede traducir fácilmente a las personas.

Mi objetivo había sido descubrir cómo manipular el cerebro sin usar la luz.

Control de sonido

Descubrí que el ultrasonido, ondas de sonido más allá del alcance de la audición humana, que no son invasivas y seguras, es una excelente manera de controlar las células. Dado que el sonido es una forma de energía mecánica, supuse que si las células cerebrales pudieran hacerse mecánicamente sensibles, entonces podríamos modificarlas con ultrasonido. Esta investigación nos llevó al descubrimiento de la primer detector mecánico de proteínas de origen natural que hizo que las células cerebrales fueran sensibles al ultrasonido

Nuestra tecnología funciona en dos etapas. Primero, introducimos nuevo material genético en las células del cerebro que funcionan mal usando un virus como dispositivo de entrega. Esto proporciona las instrucciones para que estas células produzcan las proteínas sensibles al ultrasonido.

El siguiente paso es emitir pulsos de ultrasonido desde un dispositivo fuera del cuerpo del animal dirigido a las células con las proteínas sensibles al sonido. El pulso de ultrasonido activa remotamente las células.

El nuevo campo de la sonogenética utiliza ondas de sonido para controlar el comportamiento de las células cerebrales
Rangos de frecuencia de sonido para infrasonidos, ondas sonoras y de ultrasonido y los animales que pueden escucharlos. Las personas solo pueden escuchar entre 20 Hz y 20,000 Hz. Designua / Shutterstock.com

Prueba en gusanos

Fuimos los primeros en mostrar cómo la sonogenética se puede usar para activar las neuronas en un gusano microscópico llamado Caenorhabditis elegans.

Utilizando técnicas genéticas, identificamos una proteína natural llamada TRP-4, que está presente en algunas de las neuronas del gusano, que era sensible a los cambios de presión de ultrasonido. Las ondas de presión sonora que se producen en el rango ultrasónico están por encima del umbral normal para la audición humana. Algunos animales, incluidos los murciélagos, las ballenas e incluso las polillas, pueden comunicarse a estas frecuencias ultrasónicas, pero las frecuencias utilizadas en nuestros experimentos van más allá de lo que incluso estos animales pueden detectar.

Mi equipo y yo demostramos que las neuronas con la proteína TRP-4 son sensibles a las frecuencias ultrasónicas. Las ondas sonoras a estas frecuencias cambiaron el comportamiento del gusano. Modificamos genéticamente dos de las neuronas 302 del gusano y agregamos el gen TRP-4 que sabíamos de estudios previos estuvo involucrado con mecanosensation.

Mostramos cómo los pulsos de ultrasonido pueden hacer que los gusanos cambien de dirección, como si estuviéramos usando un control remoto de gusanos. Estas observaciones demostraron que podríamos usar el ultrasonido como herramienta para estudiar la función cerebral en animales vivos sin insertar nada en el cerebro.

Enviar un pulso de ultrasonido a un gusano que transporta proteínas sensibles al sonido hace que cambie de dirección:

Las ventajas de la sonogenética

Este hallazgo inicial marcó el nacimiento de una nueva técnica que ofrece información sobre cómo las células pueden ser excitadas por el sonido. Además, creo que nuestros resultados sugieren que la sonogenética se puede aplicar para manipular una amplia variedad de tipos celulares y funciones celulares.

C. elegans fue un buen punto de partida para desarrollar esta tecnología porque el animal es relativamente simple, con solo neuronas 302. De estos, TRP-4 se encuentra en solo ocho neuronas. Por lo tanto, podemos controlar otras neuronas añadiéndoles primero TRP-4 y luego dirigiendo el ultrasonido precisamente a estas neuronas específicas.

Pero los humanos, a diferencia de los gusanos, no tienen el gen TRP-4. Entonces, mi plan es introducir la proteína sensible al sonido en las células humanas específicas que queremos controlar. La ventaja de este enfoque es que el ultrasonido no interferirá con ninguna otra célula del cuerpo humano.

Actualmente no se sabe si las proteínas distintas de TRP-4 son sensibles a la ecografía. Identificar tales proteínas, si las hay, es un área de estudio intenso en mi laboratorio y en el campo.

La mejor parte de la sonogenética es que no requiere un implante cerebral. Para la sonogenética, utilizamos virus diseñados artificialmente, que no pueden replicarse, para entregar material genético a las células cerebrales. Esto permite que las células fabriquen proteínas sensibles al sonido. Este método se ha utilizado para entregar material genético a la sangre humana y células del músculo cardíaco en cerdos

La sonogenética, aunque todavía se encuentra en las primeras etapas de desarrollo, ofrece una estrategia terapéutica novedosa para diversos trastornos relacionados con el movimiento, como el Parkinson, la epilepsia y la discinesia. En todas estas enfermedades, ciertas células cerebrales dejan de funcionar y evitan los movimientos normales. La sonogenética podría permitir que los médicos enciendan o apaguen las células cerebrales en una ubicación u hora específicas y traten estos trastornos del movimiento sin cirugía cerebral.

Para que esto funcione, la región objetivo del cerebro necesitaría estar infectada con el virus que transporta los genes de la proteína sensible al sonido. Esto se ha hecho en ratones pero aún no en humanos. La terapia génica es cada vez mejor y más precisa, y espero que otros investigadores hayan descubierto cómo hacerlo para cuando estemos listos con nuestra tecnología sonogenética.

Ampliando la sonogenética

Hemos recibido apoyo sustancial Para avanzar en esta tecnología, alimente el estudio inicial y establezca un equipo interdisciplinario.

Con financiación adicional de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa Programa ElectRx, podemos centrarnos en encontrar proteínas que puedan ayudarnos a "apagar" las neuronas. Recientemente descubrimos proteínas que pueden manipularse para activar las neuronas (trabajo no publicado). Esto es crucial para desarrollar una estrategia terapéutica que pueda usarse para tratar enfermedades del sistema nervioso central como el Parkinson.

Al tocar la hoja de la planta Mimosa pudica se desencadena una respuesta de plegado que hace que las hojas se cierren. La planta también es sensible al ultrasonido que puede desencadenar la misma reacción:

Nuestro equipo también está trabajando en la expansión de la tecnología sonogenética. Ahora hemos observado que ciertas plantas, como el "no me toques" (Mimosa pudica), son sensibles al ultrasonido. Así como se sabe que las hojas de esta planta colapsan y se pliegan hacia adentro cuando se tocan o se sacuden, la aplicación de pulsos de ultrasonido a una rama aislada produce la misma respuesta. Finalmente, estamos desarrollando un método diferente para evaluar si el ultrasonido puede influir en los procesos metabólicos, como la secreción de insulina de las células pancreáticas.

La sonogenética podría algún día eludir los medicamentos, eliminar la necesidad de cirugías cerebrales invasivas y ser útil para afecciones que van desde el trastorno de estrés postraumático y los trastornos del movimiento hasta el dolor crónico. El gran potencial para la sonogenética es que esta tecnología podría aplicarse para controlar casi cualquier tipo de célula: desde una célula productora de insulina en el páncreas hasta el ritmo cardíaco.

Nuestra esperanza es que la sonogenética revolucione los campos de la neurociencia y la medicina.

Sobre el Autor

Sreekanth Chalasani, Profesor Asociado de Neurobiología Molecular (Instituto Salk) y Profesor Adjunto Adjunto de Neurobiología, Universidad de California en San Diego

Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.

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