يتم عرض الموجات الصوتية كمصباح توهج متأرجح. natrot / Shutterstock.com

ماذا لو لم تكن بحاجة لعملية جراحية لزرع جهاز تنظيم ضربات القلب على خلل في القلب؟ ماذا لو كنت تستطيع السيطرة على مستويات السكر في الدم دون حقن الأنسولين ، أو تخفيف بداية النوبة دون الضغط على زر واحد؟

أنا وفريق من العلماء في مختبري في معهد سالك تعالج هذه التحديات من خلال تطوير تقنية جديدة تُعرف باسم السونوتونية ، وهي القدرة على التحكم بشكل غير موسع في نشاط الخلايا التي تستخدم الصوت.

من الضوء إلى الصوت

أنا عالم أعصاب مهتم بفهم كيف يكتشف الدماغ التغيرات البيئية ويستجيب لها. يبحث علماء الأعصاب دائمًا عن طرق للتأثير على الخلايا العصبية في العقول الحية حتى نتمكن من تحليل النتائج وفهم كيفية عمل ذلك الدماغ وكيفية علاج اضطرابات الدماغ بشكل أفضل.

يتطلب إنشاء هذه التغييرات المحددة تطوير أدوات جديدة. خلال العقدين الأخيرين ، كانت أداة الانتقال للباحثين في مجالي هي علم البصريات الوراثية ، وهي تقنية يتم التحكم في خلايا الدماغ هندسيا في الحيوانات مع الضوء. تتضمن هذه العملية إدخال ألياف بصرية في أعماق دماغ الحيوان لإيصال الضوء إلى المنطقة المستهدفة.

عندما تتعرض هذه الخلايا العصبية للضوء الأزرق ، يتم تنشيط البروتين الحساس للضوء ، مما يسمح لتلك الخلايا الدماغية بالتواصل مع بعضها البعض وتعديل سلوك الحيوان. على سبيل المثال ، يمكن أن تكون الحيوانات المصابة بمرض باركنسون علاجه من الهزات غير الطوعية عن طريق تسليط الضوء على خلايا الدماغ التي تم تصميمها خصيصا مما يجعلها حساسة للضوء. لكن العيب الواضح هو أن هذا الإجراء يعتمد على زرع كبل جراحي في المخ - وهي استراتيجية لا يمكن ترجمتها بسهولة إلى أشخاص.

كان هدفي هو معرفة كيفية التعامل مع الدماغ دون استخدام الضوء.

التحكم في الصوت

لقد اكتشفت أن الموجات فوق الصوتية - الموجات الصوتية خارج نطاق السمع البشري ، والتي هي غير آمنة وغير آمنة - هي طريقة رائعة للسيطرة على الخلايا. نظرًا لأن الصوت هو شكل من أشكال الطاقة الميكانيكية ، فقد توقعت أنه إذا كان من الممكن جعل خلايا الدماغ حساسة ميكانيكيا ، فيمكننا تعديلها باستخدام الموجات فوق الصوتية. هذا البحث قادنا إلى اكتشاف أول كاشف ميكانيكي للبروتين يحدث بشكل طبيعي التي جعلت خلايا الدماغ حساسة للموجات فوق الصوتية.

تعمل تقنيتنا على مرحلتين. أولاً ، نقدم مادة وراثية جديدة في خلايا الدماغ المعطلة باستخدام الفيروس كجهاز توصيل. يوفر هذا الإرشادات لهذه الخلايا لعمل بروتينات سريعة الاستجابة.

والخطوة التالية هي انبعاث نبضات الموجات فوق الصوتية من جهاز خارج جسم الحيوان يستهدف الخلايا بالبروتينات الحساسة للصوت. نبض الموجات فوق الصوتية ينشط الخلايا عن بعد.

يتراوح تردد الصوت للموجات فوق الصوتية والمسموعة والموجات فوق الصوتية والحيوانات التي يمكن سماعها. يمكن للأشخاص الاستماع فقط بين 20 Hz و 20,000 Hz. Designua / Shutterstock.com

دليل في الديدان

كنا أول من أظهر كيف سونوتونيك يمكن استخدامها لتنشيط الخلايا العصبية في دودة مجهرية تسمى Caenorhabditis ايليجانس.

باستخدام التقنيات الجينية ، حددنا بروتينًا طبيعيًا يسمى TRP-4 - والذي يوجد في بعض الخلايا العصبية للديدان - والذي كان حساسًا لتغيرات ضغط الموجات فوق الصوتية. موجات ضغط الصوت التي تحدث في النطاق فوق الصوتي أعلى من الحد الطبيعي لسماع الإنسان. يمكن لبعض الحيوانات ، بما في ذلك الخفافيش والحيتان وحتى العث ، التواصل على هذه الترددات بالموجات فوق الصوتية ، ولكن الترددات المستخدمة في تجاربنا تتجاوز ما يمكن أن تكتشفه هذه الحيوانات.

لقد أثبتت أنا وفريقي أن الخلايا العصبية التي تحتوي على بروتين TRP-4 حساسة للترددات فوق الصوتية. غيرت الموجات الصوتية في هذه الترددات سلوك الدودة. قمنا بتغيير اثنين من الخلايا العصبية للديدان 302 و قمنا بإضافة جين TRP-4 كنا نعرف من الدراسات السابقة كان متورطا مع mechanosensation.

أظهرنا كيف يمكن للنبضات بالموجات فوق الصوتية أن تغير اتجاه الديدان ، كما لو كنا نستخدم جهاز التحكم عن بعد في الدودة. أثبتت هذه الملاحظات أنه يمكننا استخدام الموجات فوق الصوتية كأداة لدراسة وظائف المخ في الحيوانات الحية دون إدخال أي شيء في الدماغ.

إرسال نبض بالموجات فوق الصوتية إلى دودة تحمل بروتينات حساسة للصوت يؤدي إلى تغيير الاتجاه:

{vembed Y = vLOqvBG6x-E}

مزايا سونوتونيك

يمثل هذا الاكتشاف الأولي ولادة تقنية جديدة تقدم نظرة ثاقبة حول كيفية تحمس الخلايا للصوت. بالإضافة إلى ذلك ، أعتقد أن النتائج التي توصلنا إليها تشير إلى أنه يمكن تطبيق سونوتوجيني لمعالجة مجموعة واسعة من أنواع الخلايا والوظائف الخلوية.

جيم ايليجانس كانت نقطة انطلاق جيدة لتطوير هذه التكنولوجيا لأن الحيوان بسيط نسبيًا ، مع وجود خلايا 302 فقط. من بين هؤلاء ، يوجد TRP-4 في ثمانية خلايا عصبية فقط. لذلك يمكننا التحكم في الخلايا العصبية الأخرى عن طريق إضافة TRP-4 إليها أولاً ثم توجيه الموجات فوق الصوتية بدقة إلى هذه الخلايا العصبية المحددة.

لكن البشر ، على عكس الديدان ، ليس لديهم جين TRP-4. لذلك خطتي هي إدخال البروتين الحساس للصوت في الخلايا البشرية المحددة التي نريد السيطرة عليها. ميزة هذا النهج هو أن الموجات فوق الصوتية لن تتداخل مع أي خلايا أخرى في جسم الإنسان.

من غير المعروف حاليًا ما إذا كانت البروتينات بخلاف TRP-4 حساسة للموجات فوق الصوتية. إن تحديد مثل هذه البروتينات ، إن وجدت ، هو مجال الدراسة المكثفة في مختبري وفي هذا المجال.

أفضل جزء في علم سونوتونيك هو أنه لا يحتاج إلى زرع دماغ. بالنسبة لمولدات السوناتة ، فإننا نستخدم الفيروسات المصممة هندسياً - والتي لا يمكنها التكرار - لإيصال المواد الوراثية إلى خلايا الدماغ. هذا يسمح للخلايا بتصنيع البروتينات الحساسة للصوت. وقد استخدمت هذه الطريقة ل تقديم المواد الوراثية لدم الإنسان و خلايا عضلة القلب في الخنازير.

تقدم Sonogenetics ، على الرغم من أنها لا تزال في المراحل المبكرة جدًا من التطور ، استراتيجية علاجية جديدة لمختلف الاضطرابات المرتبطة بالحركة ، بما في ذلك الشلل الرعاش والصرع وعسر الحركة. في كل هذه الأمراض ، تتوقف بعض خلايا الدماغ عن العمل وتمنع الحركات الطبيعية. يمكن لجهاز Sonogenetics أن يمكّن الأطباء من تشغيل أو إيقاف تشغيل خلايا المخ في مكان معين أو وقت معين وعلاج اضطرابات الحركة هذه دون جراحة في المخ.

لكي ينجح هذا ، ستحتاج المنطقة المستهدفة من الدماغ إلى الإصابة بالفيروس الذي يحمل الجينات للبروتين الحساس للصوت. وقد تم ذلك في الفئران ولكن ليس بعد في البشر. أصبح العلاج الجيني أفضل وأكثر دقة ، وآمل أن يتوصل باحثون آخرون إلى كيفية القيام بذلك بحلول الوقت الذي نكون فيه مستعدين لتكنولوجيتنا الخاصة بالمناعة الصوتية.

تمديد مفاعلات الصوت

لقد تلقينا دعم كبير للمضي قدماً في هذه التكنولوجيا ، دعم الدراسة الأولية وإنشاء فريق متعدد التخصصات.

مع تمويل إضافي من وكالة مشاريع البحوث المتقدمة للدفاع برنامج ElectRx، يمكننا التركيز على إيجاد البروتينات التي يمكن أن تساعدنا في "إيقاف" الخلايا العصبية. لقد اكتشفنا مؤخرًا بروتينات يمكن معالجتها لتنشيط الخلايا العصبية (عمل غير منشور). هذا أمر بالغ الأهمية لتطوير استراتيجية علاجية يمكن استخدامها لعلاج أمراض الجهاز العصبي المركزي مثل الشلل الرعاش.

يؤدي لمس ورقة نبات بوديكا ميموزا إلى استجابة قابلة للطي تتسبب في إغلاق الأوراق. المصنع حساس أيضا للموجات فوق الصوتية التي يمكن أن تؤدي إلى رد الفعل نفسه:

{vembed Y = 7lP35rsQu8c}

يعمل فريقنا أيضًا على توسيع نطاق التكنولوجيا الصوتية. لقد لاحظنا الآن أن بعض النباتات ، مثل "تلمسني لا" (ميموزا بوديكا) ، حساسة للموجات فوق الصوتية. تمامًا كما هو معروف أن أوراق هذا النبات تنهار وتتدحرج إلى الداخل عند لمسها أو اهتزازها ، فإن تطبيق نبضات الموجات فوق الصوتية على فرع معزول ينتج عنه نفس الاستجابة. أخيرًا ، نقوم بتطوير طريقة مختلفة لاختبار ما إذا كان الموجات فوق الصوتية يمكن أن تؤثر في عمليات التمثيل الغذائي مثل إفراز الأنسولين من خلايا البنكرياس.

يمكن لعلم المداواة الصوتية أن يتحايل في يوم من الأيام على الأدوية ، ويزيل الحاجة إلى إجراء عمليات جراحية في المخ الغازية ويكون مفيدًا للحالات التي تتراوح من اضطراب ما بعد الصدمة واضطرابات الحركة إلى الألم المزمن. تتمثل الإمكانات الكبيرة لمسببات التكاثر في أنه يمكن تطبيق هذه التقنية للتحكم في أي نوع من الخلايا تقريبًا: من خلية منتجة للأنسولين في البنكرياس إلى سرعة القلب.

أملنا هو أن يتم إحداث ثورة في مجالات علم الأعصاب والطب.

عن المؤلف

سريانث تشالاسانيأستاذ مشارك في البيولوجيا العصبية الجزيئية (معهد سالك) وأستاذ مساعد في علم الأحياء العصبية ، جامعة كاليفورنيا في سان دييغو

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.