In una prima volta per "sonogenetica", i ricercatori controllano le cellule dei mammiferi con il suono

I ricercatori di Salk individuano una proteina di mammifero sensibile al suono che consente loro di attivare il cervello, il cuore o altre cellule con gli ultrasuoni

Gli scienziati di Salk hanno progettato cellule di mammiferi da attivare utilizzando gli ultrasuoni. Il metodo, che il team ha utilizzato per attivare le cellule umane in un piatto e le cellule cerebrali all'interno di topi vivi, apre la strada a versioni non invasive di stimolazione cerebrale profonda, pacemaker e pompe per insulina. I risultati sono stati pubblicati su Nature Communications il 9 febbraio 2022.

"Passare al wireless è il futuro per quasi tutto", afferma l'autore senior Sreekanth Chalasani , professore associato al Laboratorio di neurobiologia molecolare di Salk. "Sappiamo già che gli ultrasuoni sono sicuri e che possono attraversare ossa, muscoli e altri tessuti, rendendoli lo strumento definitivo per manipolare le cellule in profondità nel corpo".

Circa un decennio fa, Chalasani ha aperto la strada all'idea di utilizzare le onde ultrasoniche per stimolare specifici gruppi di cellule geneticamente marcate e ha coniato il termine " sonogenetica " per descriverla. Nel 2015, il suo gruppo ha dimostrato che , nel nematode Caenorhabditis elegans , una proteina chiamata TRP-4 rende le cellule sensibili agli ultrasuoni a bassa frequenza. Quando i ricercatori hanno aggiunto il TRP-4 ai neuroni di C. elegans che di solito non lo avevano, hanno potuto attivare queste cellule con un'esplosione di ultrasuoni, le stesse onde sonore utilizzate negli ecografi medici.

Neuroni (magenta) nel cervello del topo. Il laboratorio Chalasani ha fatto esprimere neuroni specifici TRPA1 (bianco), in modo che possano essere attivati ​​dagli ultrasuoni.

Quando i ricercatori hanno provato ad aggiungere TRP-4 alle cellule di mammifero, tuttavia, la proteina non è stata in grado di far rispondere le cellule agli ultrasuoni. Alcune proteine ​​di mammiferi sono risultate sensibili agli ultrasuoni, ma nessuna sembrava l'ideale per l'uso clinico. Così Chalasani e i suoi colleghi si sono messi alla ricerca di una nuova proteina di mammifero che rendesse le cellule altamente sensibili agli ultrasuoni a 7 MHz, considerata una frequenza ottimale e sicura.

"Il nostro approccio era diverso dagli schermi precedenti perché ci siamo prefissati di cercare i canali sensibili agli ultrasuoni in modo completo", afferma Yusuf Tufail, ex scienziato di progetto presso Salk e co-primo autore del nuovo articolo.

I ricercatori hanno aggiunto centinaia di proteine ​​diverse, una alla volta, a una linea cellulare di ricerca umana comune (HEK), che di solito non risponde agli ultrasuoni. Quindi, mettono ogni coltura cellulare in una configurazione che consente loro di monitorare i cambiamenti nelle cellule dopo la stimolazione ad ultrasuoni.

Dopo aver esaminato le proteine ​​per più di un anno e aver esaminato quasi 300 candidati, gli scienziati ne hanno finalmente trovato una che ha reso le cellule HEK sensibili alla frequenza degli ultrasuoni di 7 MHz. La TRPA1, una proteina canale, era nota per consentire alle cellule di rispondere alla presenza di composti nocivi e per attivare una serie di cellule nel corpo umano, comprese le cellule del cervello e del cuore.

Ma il team di Chalasani ha scoperto che il canale si è aperto anche in risposta agli ultrasuoni nelle cellule HEK.

"Siamo rimasti davvero sorpresi", afferma il co-primo autore del giornale Marc Duque, uno studente di scambio Salk. "TRPA1 è stato ben studiato in letteratura ma non è stato descritto come una classica proteina meccanosensibile che ti aspetteresti di rispondere agli ultrasuoni".

Per verificare se il canale potrebbe attivare altri tipi di cellule in risposta agli ultrasuoni, il team ha utilizzato un approccio di terapia genica per aggiungere i geni per il TRPA1 umano a un gruppo specifico di neuroni nel cervello dei topi viventi. Quando hanno poi somministrato gli ultrasuoni ai topi, sono stati attivati ​​solo i neuroni con i geni TRPA1.

I medici che curano condizioni tra cui il morbo di Parkinson e l'epilessia attualmente utilizzano la stimolazione cerebrale profonda, che prevede l'impianto chirurgico di elettrodi nel cervello, per attivare determinati sottoinsiemi di neuroni. Chalasani afferma che la sonogenetica potrebbe un giorno sostituire questo approccio: il passo successivo sarebbe lo sviluppo di un metodo di erogazione della terapia genica in grado di attraversare la barriera emato-encefalica, qualcosa che è già in fase di studio.

Forse prima, dice, l'ecografia potrebbe essere utilizzata per attivare le cellule del cuore, come una specie di pacemaker che non richiede impianto. "Esistono già tecniche di somministrazione del gene per ottenere un nuovo gene, come il TRPA1, nel cuore umano", afferma Chalasani. "Se potessimo quindi utilizzare un dispositivo a ultrasuoni esterno per attivare quelle cellule, ciò potrebbe davvero rivoluzionare i pacemaker".

Per ora, il suo team sta svolgendo un lavoro più basilare su come TRPA1 percepisce gli ultrasuoni. "Per rendere questa scoperta più utile per la ricerca futura e le applicazioni cliniche, speriamo di determinare esattamente quali parti di TRPA1 contribuiscono alla sua sensibilità agli ultrasuoni e modificarle per migliorare questa sensibilità", afferma Corinne Lee-Kubli, co-prima autrice del giornale ed ex borsista post-dottorato al Salk.

Hanno anche in programma di eseguire un altro screening per le proteine ​​​​sensibili agli ultrasuoni, questa volta alla ricerca di proteine ​​​​che possono inibire o interrompere l'attività di una cellula in risposta agli ultrasuoni.

Gli altri autori dell'articolo erano Uri Magaram, Janki Patel, Ahana Chakraborty, Jose Mendoza Lopez, Eric Edsinger, Rani Shiao e Connor Weiss di Salk; e Aditya Vasan e James Friend dell'UC San Diego.

Il lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health (R01MH111534, R01NS115591), Brain Research Foundation, Kavli Institute of Brain and Mind, Life Sciences Research Foundation, WM Keck Foundation (SERF) e Waitt Advanced Biophotonics e GT3 Cores (che ricevono finanziamento tramite NCI CCSG P30014195 e NINDSR24).