Ultrahanggal irányították a sejteket

Emberi idegsejt illusztrációja

A Salk Institute kutatói a szervezetre teljesen ártalmatlan hanghullámokkal be tudnak kapcsolni idegsejteket az agy mélyén, de irányíthatnak sejteket a szívben vagy akárhol a testben, hiszen az ultrahang áthatol a szöveteken.

A Salk Institute (La Jolla, Kalifornia, USA) tudósai olyan módosított emlőssejteket hoztak létre, amelyek ultrahang segítségével aktiválhatók. A módszer, amelynek segítségével a kutatócsoport nemcsak petricsészében tenyésztett emberi sejteket, de élő egerek agyának mélyén ülő idegsejteket is sikeresen ingerelt, a testen belüli sejtek nem-invazív irányítását teszi majd lehetővé, kiváltva ezzel a mélyagyi stimuláció, a pacemakerek és az inzulinpumpák jelenlegi technológiáját.

„Körülbelül minden technológia jövője a vezeték nélküli kommunikáció – hangsúlyozta Sreekanth Chalasani, a Nature Communications legfrissebb számában megjelent tanulmány rangidős szerzője és a Salk Institute Molekuláris Neurobiológia Labaratóriumának munkatársa. –

Az ultrahangról már tudjuk, hogy biztonságos, és hogy áthalad a csontokon, izmokon és egyéb szöveteken, ami ideális eszközzé teszi a test mélyében rejtőző sejtek befolyásolására."

Nagyjából egy évtizeddel ezelőtt Chalasani volt az, aki úttörő munkát végzett az általa szonogenetikának elnevezett vadonatúj kutatási területen. Az ötlet abban állt, hogy genetikailag módosított sejtek kiválasztott csoportját ultrahanggal lehetne stimulálni. Chalasani csoportja 2015-ben megmutatta, hogy a Caenorhabditis elegans hengeresféregben egy TRP-4 nevű fehérje érzékennyé teszi a sejteket az alacsony frekvenciájú ultrahangra. Amikor a kutatók idegsejtekbe juttatták a TRP-4-et, ahol normális körülmények között nincs jelen ez a fehérje, a sejtek ultrahang-impulzusokkal aktiválhatóvá váltak. A művelethez pont ugyanolyan ultrahangot alkalmaztak, amilyen az ultrahangos orvosi képalkotó berendezésekben használatos.

Amikor azonban a kutatók emlős sejtekben próbálták meg kifejeztetni a TRP-4-et, azt tapasztalták, hogy a fehérje ezeket a sejteket nem teszi ultrahangra érzékennyé. Az irodalomból ismeretes volt ugyan néhány ultrahangérzékeny emlős fehérje, de a klinikai alkalmazásra egyik sem tűnt ideálisnak. Így Chalasani és munkatársai hozzáfogtak egy új ultrahangérzékeny emlős fehérje kereséséhez, amely a sejteket válaszképessé tehetné az optimálisnak és biztonságosnak ítélt 7 MHz-es ultrahang-frekvenciára.

„A megközelítésünk különbözött a korábbi áttekintő kutatásokétól, mert mi sokkal átfogóbb módon eredtünk az ultrahangérzékeny fehérjék nyomába" – mondta el Yusuf Tufail, a Salk korábbi projektkutatója és a cikk megosztott első szerzője. A csoport tagjai több száz különböző fehérjét – de kísérletenként mindig csak egyet – illesztettek be a kutatási célra közönségesen használt HEK293 sejtvonalba, amely alapesetben érzéketlen az ultrahangra, és a módosított sejtkultúrákat olyan körülmények közé helyezték, ahol meg tudták figyelni az ultrahang-stimuláció hatására bennük lezajló változásokat.

Több mint egy évnyi keresgélés és csaknem 300 jelölt végigpróbálgatása után a csoport végre rátalált arra a fehérjére, amely fogékonnyá tette a HEK293 sejteket a 7 MHz-es ultrahang-frekvenciára. A TRPA1 nevű csatornafehérjéről korábban annyit lehetett tudni, hogy a sejtek ártalmas vegyületekre adott válaszában működik közre, és egy sor sejttípust – köztük ideg- és szívizomsejteket – képes ingerületbe hozni az emberi szervezetben. Azt, hogy a csatorna ultrahang hatására is kinyílik, Chalasani és munkatársai fedezték fel.

„Őszintén meglepődtünk – meséli a Salk cserediákja és a cikk másik első szerzője, Marc Duque. – A TRPA1-et részletesen tárgyalja az irodalom, mégse jellemezte senki klasszikus mechanoszenzitív fehérjeként, amitől azt várná az ember, hogy az ultrahangra reagál."

A kutatók génterápiás megközelítéssel élő egerek agyának egy specifikus idegsejtcsoportjába juttatták be az emberi TRPA1 gént, hogy kipróbálják, vajon a csatorna más sejttípusokat is képes-e ultrahangfüggő módon aktiválni.

Amikor az egereket ultrahangnak tették ki, kizárólag a TRPA1 gént hordozó idegsejtek aktiválódtak.

A Parkinson-kór és az epilepszia kezelésére jelenleg ún. mélyagyi stimulációt alkalmaznak, amelyhez elektródákat kell beültetni az agyba, hogy ott a kívánt idegsejteket ingereljék. Chalasani úgy véli, hogy a szonogenetika egy napon kiválthatja ezt az invazív beavatkozást. A következő lépés egy olyan génterápiás eljárás kifejlesztése lenne, amely átsegíti a célba juttatandó gént a vér-agy gáton, ez ugyanis pillanatnyilag még nem egy teljesen megoldott probléma.

A kutató szerint talán előbb várható a szonogenetika sikeres bevetése a szívizomsejtek aktiválása terén, ami a beültetés nélküli pacemaker ígéretét vetíti előre.

„Azok a génterápiás célbajuttatási eszközök már léteznek, amelyek az emberi szív sejtjeibe egy új gént – mint például esetünkben a TRPA1-et – képesek bevinni – erősíti meg Chalasani. – Ha ezeket a módosított sejteket egy külső ultrahangforrással aktiválni tudjuk, forradalmasíthatjuk a szívritmusszabályzás jelenlegi technológiáját."

A csoport egyelőre további alapkutatást végez annak tisztázására, hogy a TRPA1 pontosan miként érzékeli az ultrahangot. „A későbbi kutatási és gyógyászati alkalmazások számára úgy tehetjük még hasznosabbá a felfedezésünket, ha meghatározzuk, a TRPA1-nek mely részei felelősek az ultrahang érzékeléséért, és úgy módosítjuk ezeket, hogy tovább fokozzuk az érzékenységét" – nyilatkozta Corinne Lee-Kubli, a közlemény megosztott első szerzője és a Salk korábbi posztdoktor munkatársa.

A tudósok ezen túlmenően egy újabb átfogó keresést is tervbe vettek: ezúttal olyan ultrahangérzékeny fehérjék után kutatnának, amelyek nem aktiválják, hanem épp ellenkezőleg, gátolják a sejteket az ultrahang hatására.