Nature子刊：研究人员首次用声音控制哺乳动物细胞

科学家们已经设计出可以用超声波激活的哺乳动物细胞。该方法为脑深部刺激、起搏器和胰岛素泵的无创版本铺平了道路。

　　

索尔克分子神经生物学实验室(Salk’s Molecular Neurobiology Laboratory)副教授、资深作者斯里坎斯·查拉萨尼(Sreekanth Chalasani)说:“几乎所有事情的未来都将是无线化。”“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，使其成为操纵人体深层细胞的最终工具。”

大约十年前，Chalasani率先提出了使用超声波来刺激特定的基因标记细胞群的想法，并创造了“声波遗传学”这个术语来描述它。2015年，他的团队发现，在线虫体内，一种名为TRP-4的蛋白质使细胞对低频超声波敏感。当研究人员将TRP-4添加到通常不含有TRP-4的秀丽隐杆线虫神经元中时，他们可以用一种超声波的爆发来激活这些细胞——与医学超声波图中使用的声波相同。

然而，当研究人员试图将TRP-4添加到哺乳动物细胞中时，这种蛋白质却不能使细胞对超声波产生反应。一些哺乳动物蛋白被报道是超声敏感的，但没有一个似乎是理想的临床使用。因此，Chalasani和他的同事们开始寻找一种新的哺乳动物蛋白，这种蛋白可以使细胞在7mhz的频率下对超声波高度敏感，7mhz被认为是最佳且安全的频率。

“我们的方法不同于以往的筛查，因为我们开始以全面的方式寻找超声波敏感通道，”索尔克大学的前项目科学家、新论文的第一作者之一尤素福·图法伊(Yusuf Tufail)说。

研究人员将数百种不同的蛋白质一次添加到一种普通的人类研究细胞株(HEK)中，这种细胞株通常对超声波没有反应。然后，他们把每个细胞培养物放在一个装置下，让他们监测细胞在超声波刺激下的变化。

经过一年多的筛选，通过近300个候选蛋白，科学家们终于找到了一种能使HEK细胞对7兆赫超声频率敏感的蛋白。TRPA1是一种通道蛋白，已知它能让细胞对有毒化合物的存在做出反应，并激活人体的一系列细胞，包括大脑和心脏细胞。

但Chalasani的团队发现，在HEK细胞中，该通道也会在超声波的作用下打开。

“我们真的很惊讶，”论文的第一作者之一马克·杜克(Marc Duque)说，他是索尔克大学的一名交换学生。“TRPA1在文献中已经得到了充分的研究，但还没有被描述为一种经典的机械敏感蛋白，你可以期望它对超声波有反应。”

为了测试该通道是否能在超声波的作用下激活其他类型的细胞，该团队使用了一种基因治疗方法，将人类TRPA1的基因添加到活小鼠大脑中的一组特定神经元中。当他们给小鼠使用超声波时，只有带有TRPA1基因的神经元被激活。

治疗帕金森氏症和癫痫等疾病的临床医生目前使用脑深部刺激，即通过外科手术在大脑中植入电极来激活某些神经元子集。Chalasani说，超声遗传学有一天会取代这种方法——下一步将是开发一种可以穿过血脑屏障的基因治疗传递方法，这已经在研究中了。

他说，也许在不久的将来，超声波遗传学可以被用来激活心脏细胞，作为一种无需植入的起搏器。“基因传递技术已经存在，可以将一种新基因——比如TRPA1——植入人类心脏，”Chalasani说。“如果我们可以使用外部超声波设备来激活这些细胞，那将会给心脏起搏器带来革命性的变化。”

目前，他的团队正在对TRPA1如何感知超声波进行更基础的研究。“为了使这一发现对未来的研究和临床应用更有用，我们希望确切地确定TRPA1的哪些部分有助于其超声灵敏度，并调整它们以提高这种灵敏度，”论文的第一作者之一、索尔克大学的前博士后研究员Corinne Lee-Kubli说。

他们还计划对超声波敏感蛋白进行另一项筛选——这次是寻找能够抑制或关闭细胞对超声波反应的活性的蛋白质。

论文的其他作者是索尔克大学的Uri Magaram、Janki Patel、Ahana Chakraborty、Jose Mendoza Lopez、Eric Edsinger、Rani Shiao和Connor Weiss;以及加州大学圣地亚哥分校的Aditya Vasan和James Friend。

这项工作得到了美国国立卫生研究院(R01MH111534, R01NS115591)、脑研究基金会、Kavli脑与心智研究所、生命科学研究基金会、W.M. Keck基金会(SERF)和Waitt高级生物光子学和GT3核心(获得了NCI CCSG P30014195和NINDSR24的资助)的支持。

的视频:https://youtu.be/tNnRd0JfT4o

Journal Reference:

1. Marc Duque, Corinne A. Lee-Kubli, Yusuf Tufail, Uri Magaram, Janki Patel, Ahana Chakraborty, Jose Mendoza Lopez, Eric Edsinger, Aditya Vasan, Rani Shiao, Connor Weiss, James Friend, Sreekanth H. Chalasani. Sonogenetic control of mammalian cells using exogenous Transient Receptor Potential A1 channels. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-28205-y