Sonojenetik Beyin Hücrelerini Kontrol Etmek için Ses Dalgalarını Kullanıyor

Sonojenetik, Caenorhabditis elegans’taki nöronları aktive etmeye yönelik invazif olmayan bir yaklaşımdır. Sinirbilimdeki en büyük zorluk, özellikle daha derin beyin bölgelerindeki bireysel nöronları güvenilir şekilde aktive etmektir.

Sorunlu kalbe, kalp pili yerleştirmek için ameliyat gerekmezse? Kan şekeri seviyenizi bir insülin enjeksiyonu olmadan kontrol edebilir ya da bir düğmeye basmadan nöbetin başlangıcını azaltabilirseniz?

Ben ve Salk Enstitüsündeki laboratuarımdaki bir takım bilim adamları, sesleri kullanarak hücrelerin aktivitelerini invazif olmayan bir şekilde kontrol etme yeteneği olan, sonojenetik olarak bilinen yeni bir teknoloji geliştirerek bu zorluklarla mücadele ediyoruz.

Işıktan Sese

Beynin çevresel değişiklikleri nasıl algıladığını ve yanıt verdiğini anlamakla ilgilenen bir sinirbilimciyim. Sinirbilimciler her zaman canlı beyinlerdeki nöronları etkilemenin yollarını ararlar; böylece sonucu analiz edebilir ve hem beynin nasıl çalıştığını hem de beyin hastalıklarını nasıl daha iyi tedavi edebileceğimizi anlayabiliriz.

Bu özel değişiklikleri yaratmak, yeni araçların geliştirilmesini gerektirir. Son yirmi yıldır, alanımdaki araştırmacılar için yöntem, hayvanlarda tasarlanmış beyin hücrelerinin ışıkla kontrol edildiği bir teknik olan optogenetikti. Bu işlem, hedef bölgeye ışık vermek için hayvanın beyninin derinliklerine bir optik fiber yerleştirilmesini içerir.

Bu sinir hücreleri mavi ışığa maruz kaldığında, ışığa duyarlı protein aktive olur ve bu beyin hücrelerinin birbirleriyle iletişim kurmasına ve hayvanın davranışını değiştirmesine olanak tanır. Örneğin, Parkinson hastalığına sahip hayvanlar, özel olarak tasarlanmış beyin hücrelerine ışığı parlatarak, onları ışığa duyarlı hale getirerek istemsiz titremelerini tedavi edebilirler. Ancak bariz dezavantajı, bu prosedürün cerrahi olarak beyne bir kablo yerleştirmesine bağlı olmasıdır, insanlara kolayca çevrilemeyen bir strateji.

Amacım beynin ışık kullanmadan nasıl idare edileceğini bulmaktı.

Ses Kontrolü

Ultrasonun, insan işitme aralığının ötesindeki, invaziv olmayan ve güvenli olan ses dalgalarının hücreleri kontrol etmenin harika bir yolu olduğunu keşfettim. Ses bir mekanik enerji şekli olduğundan, beyin hücreleri mekanik olarak hassas hale getirilebiliyorsa, onları ultrason ile değiştirebileceğimizi düşündüm. Bu araştırma bizi beyin hücrelerini ultrasona duyarlı kılan ilk doğal olarak meydana gelen protein mekanik detektörün keşfedilmesini sağlamıştır.

Teknolojimiz iki aşamada çalışıyor. İlk olarak, bir virüs olarak dağıtım aracı olarak işlev gören beyin hücrelerine yeni genetik materyaller eklenmiştir. Bu, bu hücrelerin ultrasona duyarlı proteinler üretmesi için talimatlar sağlar.

Bir sonraki adım, sese duyarlı proteinlerle hücreleri hedef alan, hayvan vücudunun dışındaki bir cihazdan ultrason darbeleri yaymaktır. Ultrason nabzı, hücreleri uzaktan aktive eder.

Solucanlarla Prova

Caenorhabditis elegans adı verilen mikroskobik bir kurtçukta nöronları aktive etmek için sonojenetiğin nasıl kullanılabileceğini gösteren ilk kişi bizdik.

Genetik teknikleri kullanarak, solucanın bazı nöronlarında bulunan, ultrason basıncı değişikliklerine duyarlı olan TRP-4 adlı doğal olarak ortaya çıkan bir protein tanımladık. Ultrasonik aralıkta meydana gelen ses basıncı dalgaları, insan işitme için normal eşiğin üstündedir. Yarasalar, balinalar ve hatta güveler dahil bazı hayvanlar bu ultrasonik frekanslarda iletişim kurabilir, ancak deneylerimizde kullanılan frekanslar bu hayvanların bile tespit edebileceğinin ötesine geçmektedir.

Ekibim ve ben TRP-4 proteinli nöronların ultrasonik frekanslara duyarlı olduklarını gösterdik. Bu frekanslardaki ses dalgaları solucanın davranışını değiştirdi. Solucanın 302 nöronunun ikisini genetik olarak değiştirdik ve önceki çalışmalardan mekanosensasyon ile ilgili olduğunu bildiğimiz TRP-4 genini ekledik.

Ultrason darbelerinin bir solucan uzaktan kumandası kullanıyormuşuz gibi solucanların solucan yönünü nasıl değiştirebileceğini gösterdik. Bu gözlemler, ultrasonu canlı hayvanlarda beyin işlevini beyne bir şey eklemeden incelemede bir araç olarak kullanabileceğimizi kanıtladı.

Sonojeneteğin Avantajları

Bu ilk bulgu, hücrelerin sesle nasıl heyecanlandırılabileceği konusunda fikir veren yeni bir tekniğin doğuşuna işaret ediyordu. Ek olarak, sonuçlarımızın, çok çeşitli hücre tiplerini ve hücresel fonksiyonları manipüle etmek için sonojenetiğin uygulanabileceğini öne sürdüğünü düşünüyorum.

C. elegans bu teknolojiyi geliştirmek için iyi bir başlangıç noktasıydı çünkü hayvan sadece 302 nöron ile oldukça basit bir hayvan türü. Bunlardan TRP-4 sadece sekiz nöronda var. Bu yüzden önce TRP-4’ü ekleyerek ve sonra da ultrasonu tam olarak bu spesifik nöronlara yönlendirerek diğer nöronları kontrol edebiliriz.

Fakat solucanların aksine insanlar TRP-4 genine sahip değillerdir. Bu yüzden benim planım, sese duyarlı proteini kontrol etmek istediğimiz spesifik insan hücrelerine tanıtmak. Bu yaklaşımın avantajı, ultrasonun insan vücudundaki diğer hücrelere müdahale etmemesidir.

Halen TRP-4 dışındaki proteinlerin ultrasona duyarlı olup olmadığı bilinmemektedir. Varsa, bu tür proteinleri tanımlamak laboratuvarımda ve alanımda yoğun bir çalışma alanıdır.

Sonojenetik hakkındaki en iyi bölüm, beyin implantı gerektirmemesidir. Sonojenetik için, beyin hücrelerine genetik materyal iletmek için yapay olarak tasarlanan virüsleri (kopyalayamayan) kullanıyoruz. Bu, hücrelerin sese duyarlı proteinler üretmesini sağlar. Bu yöntem, genetik materyali insan kanına ve domuzlarda kalp kası hücrelerine vermek için kullanılmıştır.

Sonojenetik, gelişimin henüz çok erken aşamalarında olmasına rağmen, Parkinson, epilepsi ve diskinezi dahil olmak üzere hareketle ilgili çeşitli bozukluklar için yeni bir terapötik strateji sunar. Tüm bu hastalıklarda, bazı beyin hücreleri çalışmayı durdurur ve normal hareketleri önler. Sonojenetik doktorların belirli bir yerde veya zamanda beyin hücrelerini açmasını veya kapatmasını ve bu hareket bozukluklarını beyin ameliyatı olmadan tedavi etmesini sağlayabilir.

Bunun çalışması için, beynin hedef bölgesinin sese duyarlı protein için genleri taşıyan virüsle enfekte olması gerekir. Bu farelerde yapıldı ancak henüz insanlarda yapılmadı. Gen terapisi gittikçe daha kesinleşiyor ve diğer araştırmacıların sonojenetik teknolojimizle hazır olduğumuzda bunun nasıl yapılacağını çözeceğini umuyorum.

Sonojenetiğin Genişletilmesi

Bu teknolojiyi geliştirmek, ilk çalışmayı yaklaştırmak ve disiplinler arası bir ekip oluşturmak için büyük destek aldık.

Savunma Gelişmiş Araştırma Projeleri Ajansı’nın ElectRx programından sağlanan ilave fonlarla, nöronları “kapatmamıza” yardımcı olabilecek proteinler bulmaya odaklanabiliriz. Son zamanlarda nöronları aktive etmek için manipüle edilebilecek proteinleri keşfettik (yayınlanmamış çalışma). Bu, Parkinson gibi merkezi sinir sistemi hastalıklarını tedavi etmek için kullanılabilecek terapötik bir strateji geliştirmek için çok önemlidir.

Ekibimiz ayrıca sonojenetik teknolojiyi genişletmek için çalışıyor. “Bana dokunma” (Mimosa pudica) gibi bazı bitkilerin ultrasona duyarlı olduğunu gözlemledik. Tıpkı bu bitkinin yapraklarının dokunulduğunda veya sallandığında içe doğru daraldığı ve katlandığı biliniyorsa, izole bir dala ultrason darbeleri uygulamak aynı cevabı verir. Son olarak, ultrasonun pankreas hücrelerinden insülin sekresyonu gibi metabolik süreçleri etkileyip etkilemediğini test etmek için farklı bir yöntem geliştiriyoruz.

Sonojenetik, bir gün ilaçları alt edebilir, beyin ameliyatlarına olan ihtiyacı ortadan kaldırır ve travma sonrası stres bozukluğu ve hareket bozukluklarından kronik ağrıya kadar değişen durumlar için faydalı olabilir. Sonojenetik için büyük potansiyel, bu teknolojinin neredeyse her tür hücreyi kontrol etmek için uygulanabileceğidir: pankreastaki insülin üreten bir hücreden bir kalbe gibi.

Umudumuz, sonojenetiğin sinirbilim ve tıp alanlarında devrim yaratmasıdır.

Kaynak : curiosity.com