Επιστήμονες από το Ινστιτούτο Βιολογικών Σπουδών Salk έχουν εφεύρει έναν καινούριο τρόπο για να ενεργοποιήσουν επιλεκτικά τα εγκεφαλικά, καρδιακά, μυϊκά και άλλα είδη κυττάρων χρησιμοποιώντας υπερηχητικά κύματα. Η καινούρια τεχνική που ονομάστηκε ηχογενετική έχει κάποιες ομοιότητες με την αυξανόμενη χρήση του φωτός για την ενεργοποίηση των κυττάρων προκειμένου να κατανοήσουμε καλύτερα τον εγκέφαλο.
Αυτή η καινούρια μέθοδος – η οποία χρησιμοποιεί τον ίδιο τύπο κυμάτων που χρησιμοποιούνται στο υπερηχογράφημα – ίσως έχει περισσότερα πλεονεκτήματα από τη μέθοδο που βασίζεται στο φως και που είναι γνωστή ως οπτικογενετική ιδιαίτερα όταν πρόκειται για την προσαρμογή της τεχνολογίας στην ανθρώπινη θεραπεία. Αναφέρθηκε στις 15 Σεπτεμβρίου 2015 στο περιοδικό «Nature Communications».
Advertisment
Ο Sreekanth Chalasani, επίκουρος καθηγητής στο Εργαστήριο Μοριακής Νευροβιολογίας του Ινστιτούτου Salk και βασικός συγγραφέας της μελέτης, αναφέρει τα εξής: «Οι τεχνικές που βασίζονται στο φως είναι πολύ αποτελεσματικές για ορισμένες χρήσεις και νομίζω ότι θα συνεχίσουμε να παρατηρούμε εξελίξεις σε αυτόν τον τομέα. Πρόκειται για ένα καινούριο, πρόσθετο εργαλείο για τον χειρισμό των νευρώνων και άλλων κυττάρων στο σώμα».
Στην οπτικογενετική, οι ερευνητές προσθέτουν φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες-διαύλους στους νευρώνες που επιθυμούν να μελετήσουν. Εστιάζοντας το λέιζερ στα κύτταρα μπορούν να ανοίξουν επιλεκτικά αυτούς τους διαύλους είτε ενεργοποιώντας είτε απενεργοποιώντας τους νευρώνες-στόχους. Η χρήση όμως μιας τέτοιας προσέγγισης σε κύτταρα που βρίσκονται βαθιά στον εγκέφαλο είναι δύσκολη: χαρακτηριστικά, οι ερευνητές πρέπει να εμφυτεύσουν με χειρουργική επέμβαση ένα καλώδιο οπτικών ινών που να μπορεί να φτάσει στα κύτταρα. Επιπλέον, το φως διασκορπίζεται στον εγκέφαλο και σε άλλους ιστούς του σώματος.
Ο Chalasani και η ομάδα του αποφάσισαν να ανακαλύψουν αν θα μπορούσαν να δημιουργήσουν μια προσέγγιση που να βασίζεται σε υπερηχητικά κύματα για την ενεργοποίηση των νευρώνων. Ο ίδιος αναφέρει τα παρακάτω: «Σε αντίθεση με το φως, οι υπέρηχοι χαμηλής συχνότητας μπορούν να ταξιδέψουν μέσα στο σώμα χωρίς να διασκορπιστούν. Ο Stuart Ibsen, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο εργαστήριο του Chalasani και βασικός συγγραφέας της καινούριας μελέτης, προσθέτει: «Αυτό αποτελεί μεγάλο πλεονέκτημα όταν θέλουμε να διεγείρουμε μια περιοχή βαθιά στον εγκέφαλο χωρίς να επηρεάζονται άλλες περιοχές».
Advertisment
Ο Chalasani και οι συνεργάτες του έδειξαν πρώτοι ότι στο νηματώδες σκουλήκι nematode Caenorhabditis elegans οι φυσαλίδες αερίου έξω από το σκουλήκι ήταν αναγκαίες για την ενίσχυση των υπερήχων χαμηλής συχνότητας. «Οι φυσαλίδες διαστέλλονται και συστέλλονται σε συγχρονισμό με τα κύματα υπερήχων. Αυτές οι ταλαντώσεις μπορούν στη συνέχεια να μεταδοθούν με μη επεμβατικό τρόπο μέσα στο σκουλήκι», αναφέρει ο Ibsen.
Στη συνέχεια βρήκαν ένα μεμβρανώδες κανάλι ιόντων, το TRP-4, το οποίο ανταποκρίνεται σε αυτά τα κύματα. Οι μηχανικές παραμορφώσεις που προκαλούνται από τους υπερήχους χτυπούν τις φυσαλίδες αερίου και μεταφέρονται στο σκουλήκι με αποτέλεσμα τα κανάλια TRP-4 να ανοίγουν ενεργοποιώντας το κύτταρο. Με όπλο αυτή τη γνώση, η ομάδα προσπάθησε να προσθέσει τα κανάλια TRP-4 σε νευρώνες που κανονικά δεν τα διέθεταν. Με αυτόν τον τρόπο ενεργοποιήθηκαν με επιτυχία νευρώνες που συνήθως δεν αντιδρούν σε υπερήχους.
Μέχρι στιγμής η ηχογενετική έχει εφαρμοστεί μόνο στους νευρώνες του σκουληκιού C. elegans. Σύμφωνα με τον Chalasani όμως, τα κανάλια TRP-4 θα μπορούσαν να προστεθούν σε οποιοδήποτε τύπο κυττάρου ευαίσθητου στο ασβέστιο και σε οποιονδήποτε οργανισμό συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων.
Στη συνέχεια, οι μικροφυσαλίδες θα μπορούσαν να εγχυθούν στην κυκλοφορία του αίματος και να διασκορπιστούν σε όλο το σώμα – μια προσέγγιση που έχει ήδη χρησιμοποιηθεί σε ορισμένες τεχνικές απεικόνισης σε ανθρώπους. Έτσι, ο υπέρηχος θα μπορούσε να φτάσει αναίμακτα σε οποιοδήποτε ιστό μας ενδιαφέρει (συμπεριλαμβανομένου του εγκεφάλου), να ενισχυθεί από τις μικροφυσαλίδες και να ενεργοποιήσει τα κύτταρα που θέλουμε μέσω των καναλιών TRP-4. Υπάρχουν πολλά κύτταρα στο ανθρώπινο σώμα, όπως ο ίδιος επισημαίνει, που ανταποκρίνονται στην εισροή ασβεστίου που προκαλείται από τα κανάλια TRP-4.
«Ο πραγματικός θρίαμβος θα ήταν αν διαπιστώναμε ότι αυτό θα μπορούσε να εφαρμοστεί στον εγκέφαλο των θηλαστικών», αναφέρει ο Chalasani. Η ομάδα του έχει ήδη ξεκινήσει δοκιμές της μεθόδου σε ποντίκια. «Όταν κάνουμε το άλμα και εφαρμόσουμε τις θεραπείες αυτές στους ανθρώπους, πιστεύω ότι θα υπάρξουν καλύτερες ευκαιρίες με τη μη επεμβατική ηχογενετική προσέγγιση παρά με την οπτικογενετική».
Προσθέτει επίσης ότι οι 2 παραπάνω προσεγγίσεις δίνουν υποσχέσεις για τις βασικές έρευνες επιτρέποντας στους επιστήμονες να μελετήσουν την επίδραση της ενεργοποίησης των κυττάρων. Μπορεί ακόμη να φανούν χρήσιμες στη θεραπεία μέσω της ενεργοποίησης κυττάρων που επηρεάζονται από ασθένειες. Ωστόσο, για να χρησιμοποιηθούν αυτές οι τεχνικές σε ανθρώπους, οι ερευνητές πρέπει πρώτα να δημιουργήσουν ασφαλείς τρόπους για να μεταφέρουν τα κανάλια που είναι ευαίσθητα στο φως ή τους υπερήχους στα κύτταρα που θέλουν.
