Sóng âm được hiển thị dưới dạng ánh sáng phát sáng dao động. natrot / Shutterstock.com

Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn không cần phẫu thuật để cấy máy tạo nhịp tim vào một trái tim bị lỗi? Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn có thể kiểm soát lượng đường trong máu mà không cần tiêm insulin, hoặc giảm nhẹ cơn động kinh mà không cần nhấn nút?

Tôi và một nhóm các nhà khoa học ở phòng thí nghiệm của tôi tại Viện Salk đang giải quyết những thách thức này bằng cách phát triển một công nghệ mới được gọi là sonogenetic, khả năng kiểm soát không xâm lấn hoạt động của các tế bào bằng âm thanh.

Từ ánh sáng đến âm thanh

Tôi là một nhà thần kinh học quan tâm đến việc hiểu làm thế nào bộ não phát hiện những thay đổi môi trường và phản ứng. Các nhà thần kinh học luôn tìm cách tác động đến các tế bào thần kinh trong não sống để chúng ta có thể phân tích kết quả và hiểu cả cách thức hoạt động của bộ não và cách điều trị rối loạn não tốt hơn.

Tạo ra những thay đổi cụ thể này đòi hỏi sự phát triển của các công cụ mới. Trong hai thập kỷ qua, công cụ hỗ trợ cho các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực của tôi là optogenetic, một kỹ thuật trong đó thiết kế tế bào não ở động vật được điều khiển bằng ánh sáng. Quá trình này bao gồm việc chèn một sợi quang vào sâu trong não của động vật để đưa ánh sáng đến vùng mục tiêu.

Khi các tế bào thần kinh này tiếp xúc với ánh sáng xanh, protein nhạy cảm với ánh sáng được kích hoạt, cho phép các tế bào não đó giao tiếp với nhau và sửa đổi hành vi của động vật. Ví dụ, động vật mắc bệnh Parkinson có thể là chữa khỏi chứng run không tự nguyện của họ bằng cách chiếu ánh sáng trên các tế bào não đã được thiết kế đặc biệt làm cho chúng nhạy cảm với ánh sáng. Nhưng nhược điểm rõ ràng là thủ tục này phụ thuộc vào việc phẫu thuật cấy cáp vào não - một chiến lược không thể dễ dàng dịch thành người.

Mục tiêu của tôi là tìm ra cách điều khiển bộ não mà không cần sử dụng ánh sáng.

Kiểm soát âm thanh

Tôi phát hiện ra rằng siêu âm - sóng âm thanh vượt ra ngoài phạm vi nghe của con người, không xâm lấn và an toàn - là một cách tuyệt vời để kiểm soát các tế bào. Vì âm thanh là một dạng năng lượng cơ học, tôi đã hình dung rằng nếu các tế bào não có thể được làm cho nhạy cảm về mặt cơ học, thì chúng ta có thể sửa đổi chúng bằng siêu âm. Nghiên cứu này đã dẫn chúng tôi đến việc khám phá đầu tiên phát hiện cơ học protein tự nhiên mà làm cho các tế bào não nhạy cảm với siêu âm.

Công nghệ của chúng tôi hoạt động trong hai giai đoạn. Đầu tiên chúng tôi giới thiệu vật liệu di truyền mới vào các tế bào não bị trục trặc bằng cách sử dụng virus làm thiết bị phân phối. Điều này cung cấp các hướng dẫn cho các tế bào này để tạo ra các protein đáp ứng siêu âm.

Bước tiếp theo là phát ra các xung siêu âm từ một thiết bị bên ngoài cơ thể động vật nhắm vào các tế bào có protein nhạy cảm với âm thanh. Xung siêu âm kích hoạt từ xa các tế bào.

Dải tần số âm thanh cho sóng siêu âm, âm thanh và siêu âm và các động vật có thể nghe thấy chúng. Mọi người chỉ có thể nghe được giữa 20 Hz và 20,000 Hz. Designua / Shutterstock.com

Bằng chứng ở giun

Chúng tôi là người đầu tiên cho thấy sonogenetic có thể được sử dụng để kích hoạt tế bào thần kinh trong một con sâu siêu nhỏ gọi là Caenorhabd viêm Elegans.

Sử dụng các kỹ thuật di truyền, chúng tôi đã xác định được một loại protein xuất hiện tự nhiên có tên TRP-4 - có trong một số tế bào thần kinh của giun - rất nhạy cảm với sự thay đổi áp suất siêu âm. Sóng áp suất âm thanh xảy ra trong phạm vi siêu âm cao hơn ngưỡng bình thường đối với thính giác của con người. Một số động vật, bao gồm dơi, cá voi và thậm chí cả bướm đêm, có thể giao tiếp ở các tần số siêu âm này, nhưng tần số được sử dụng trong các thí nghiệm của chúng tôi vượt xa những gì mà ngay cả những động vật này có thể phát hiện.

Nhóm của tôi và tôi đã chứng minh rằng các tế bào thần kinh có protein TRP-4 rất nhạy cảm với tần số siêu âm. Sóng âm ở các tần số này đã thay đổi hành vi của sâu. Chúng tôi đã biến đổi gen hai tế bào thần kinh 302 của giun và thêm gen TRP-4 chúng tôi biết từ các nghiên cứu trước đã được tham gia với cơ khí hóa.

Chúng tôi đã chỉ ra cách các xung siêu âm có thể làm cho giun thay đổi hướng, như thể chúng tôi đang sử dụng điều khiển từ xa sâu. Những quan sát này đã chứng minh rằng chúng ta có thể sử dụng siêu âm như một công cụ để nghiên cứu chức năng não ở động vật sống mà không cần đưa bất cứ thứ gì vào não.

Gửi một xung siêu âm đến một con sâu mang protein nhạy cảm với âm thanh khiến nó thay đổi hướng:

{vembed Y = vLOqvBG6x-E}

Những lợi thế của siêu âm

Phát hiện ban đầu này đánh dấu sự ra đời của một kỹ thuật mới cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách các tế bào có thể được kích thích bằng âm thanh. Ngoài ra, tôi tin rằng kết quả của chúng tôi cho thấy rằng sonogenetic có thể được áp dụng để thao túng nhiều loại tế bào và chức năng tế bào.

C. Elegans là một điểm khởi đầu tốt để phát triển công nghệ này vì động vật tương đối đơn giản, chỉ có tế bào thần kinh 302. Trong số này, TRP-4 chỉ có tám nơ-ron. Vì vậy, chúng ta có thể kiểm soát các tế bào thần kinh khác bằng cách trước tiên thêm TRP-4 cho chúng và sau đó chỉ đạo siêu âm chính xác tại các tế bào thần kinh cụ thể này.

Nhưng con người, không giống như giun, không có gen TRP-4. Vì vậy, kế hoạch của tôi là giới thiệu protein nhạy cảm với âm thanh vào các tế bào con người cụ thể mà chúng ta muốn kiểm soát. Ưu điểm của phương pháp này là siêu âm sẽ không can thiệp vào bất kỳ tế bào nào khác trong cơ thể người.

Hiện tại vẫn chưa biết liệu các protein khác ngoài TRP-4 có nhạy cảm với siêu âm hay không. Xác định các protein như vậy, nếu có, là một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ trong phòng thí nghiệm của tôi và lĩnh vực này.

Phần tốt nhất về siêu âm là nó không cần cấy ghép não. Đối với siêu âm, chúng tôi sử dụng các vi-rút được thiết kế nhân tạo - không thể sao chép - để cung cấp vật liệu di truyền cho các tế bào não. Điều này cho phép các tế bào sản xuất protein nhạy cảm với âm thanh. Phương pháp này đã được sử dụng để đưa vật liệu di truyền vào máu người và tế bào cơ tim ở lợn.

Sonogenetic, mặc dù vẫn còn trong giai đoạn phát triển ban đầu, đưa ra một chiến lược điều trị mới cho các rối loạn liên quan đến vận động khác nhau bao gồm Parkinson, động kinh và chứng khó đọc. Trong tất cả các bệnh này, một số tế bào não ngừng hoạt động và ngăn chặn các cử động bình thường. Sonogenetic có thể cho phép các bác sĩ bật hoặc tắt các tế bào não tại một địa điểm hoặc thời gian cụ thể và điều trị các rối loạn vận động này mà không cần phẫu thuật não.

Để điều này hoạt động, vùng mục tiêu của não sẽ cần phải bị nhiễm vi-rút mang gen cho protein nhạy cảm với âm thanh. Điều này đã được thực hiện ở chuột nhưng chưa có ở người. Liệu pháp gen ngày càng tốt hơn và chính xác hơn, và tôi hy vọng rằng các nhà nghiên cứu khác sẽ tìm ra cách thực hiện điều này khi chúng ta sẵn sàng với công nghệ siêu âm.

Mở rộng siêu âm

Chúng tôi đã nhận được hỗ trợ đáng kể để thúc đẩy công nghệ này, thúc đẩy nghiên cứu ban đầu và thành lập một nhóm liên ngành.

Có thêm kinh phí từ Cơ quan Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến Chương trình ElectRx, chúng ta có thể tập trung vào việc tìm kiếm các protein có thể giúp chúng ta tắt các nơ-ron thần kinh. Gần đây chúng tôi đã phát hiện ra các protein có thể được điều khiển để kích hoạt tế bào thần kinh (công việc chưa được công bố). Điều này rất quan trọng để phát triển một chiến lược trị liệu có thể được sử dụng để điều trị các bệnh về hệ thần kinh trung ương như Parkinson.

Chạm vào lá của cây Mimosa pudica sẽ kích hoạt phản ứng gấp làm cho lá đóng lại. Cây cũng nhạy cảm với siêu âm có thể gây ra phản ứng tương tự:

{vembed Y = 7lP35rsQu8c}

Nhóm của chúng tôi cũng đang làm việc để mở rộng công nghệ sonogenetic. Bây giờ chúng tôi đã quan sát thấy rằng một số nhà máy nhất định, chẳng hạn như cảm ứng của tôi không phải là ((Mimosa pudica), nhạy cảm với siêu âm. Giống như lá của cây này được biết là sụp đổ và gập vào trong khi chạm hoặc lắc, áp dụng các xung siêu âm cho một nhánh bị cô lập tạo ra phản ứng tương tự. Cuối cùng, chúng tôi đang phát triển một phương pháp khác để kiểm tra xem siêu âm có thể ảnh hưởng đến các quá trình trao đổi chất như tiết insulin từ các tế bào tuyến tụy.

Sonogenetic một ngày có thể phá vỡ các loại thuốc, loại bỏ sự cần thiết phải phẫu thuật não xâm lấn và hữu ích cho các điều kiện từ rối loạn căng thẳng sau chấn thương và rối loạn vận động đến đau mãn tính. Tiềm năng lớn về siêu âm là công nghệ này có thể được áp dụng để kiểm soát gần như mọi loại tế bào: từ một tế bào sản xuất insulin trong tuyến tụy đến nhịp tim.

Hy vọng của chúng tôi là sonogenetic cách mạng hóa các lĩnh vực khoa học thần kinh và y học.

Lưu ý

Saletanth Chalasani, Phó giáo sư về sinh học thần kinh phân tử (Viện Salk) và trợ lý giáo sư phụ trợ của khoa học thần kinh học, Đại học California San Diego

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.