LA JOLLA Salk的科学家们已经设计出可以用超声波激活的哺乳动物细胞。该团队使用该方法激活培养皿中的人类细胞和活体小鼠体内的脑细胞，为实现无创性脑深部刺激、起搏器和胰岛素泵铺平了道路。研究结果发表在2022年2月9日的《自然通讯》上。
小鼠大脑中的神经元（品红），Chalasani实验室让特定的神经元表达TRPA1（白色），因此它们可以被超声波激活
继光遗传学之后，Salk的研究人员发现了一种对声音敏感的哺乳动物蛋白质，这种蛋白质可以让它们通过超声波激活大脑、心脏或其他细胞，正式创建“声遗传学”。
该团队使用该方法激活培养皿中的人类细胞和活体小鼠体内的脑细胞，为实现无创性脑深部刺激、起搏器和胰岛素泵铺平了道路。研究结果发表在2022年2月9日的《Nature Communications》上。
Salk分子神经生物学实验室副教授、资深作者Sreekanth Chalasani说：“无线上网几乎是一切事物的未来。我们已经知道超声波是安全的，它可以穿透骨骼、肌肉和其他组织，使其成为操纵身体深层细胞的终极工具。”
大约十年前，Chalasani开创了利用超声波刺激特定基因标记细胞群的想法，并创造了“声遗传学（sonogenetics）”一词来描述它。2015年，他的研究小组发现，在线虫中，一种名为TRP-4的蛋白质使细胞对低频超声波敏感。当研究人员将TRP-4添加到通常没有TRP-4的秀丽隐杆线虫神经元中时，它们可以通过超声波脉冲激活这些细胞，这与医学超声图中使用的声波相同。
当研究人员试图向哺乳动物细胞中添加TRP-4时，该蛋白质无法使细胞对超声波产生反应。据报道，一些哺乳动物蛋白质对超声波敏感，但似乎没有一种适合临床使用。因此，查拉萨尼和他的同事们开始寻找一种新的哺乳动物蛋白质，这种蛋白质可以使细胞在7MHz的频率下对超声波高度敏感，这被认为是一种最佳和安全的频率
“我们的方法不同于以前的筛选，因为我们开始以全面的方式寻找超声敏感通道，”Salk的前项目科学家、这篇新论文的联合第一作者Yusuf Tufail说
研究人员向普通人类研究细胞系（HEK）中添加了数百种不同的蛋白质，一次添加一种，HEK通常对超声波没有反应。然后，他们将每个细胞培养物置于一个装置下，在超声波刺激下监测细胞的变化
在筛选了一年多的蛋白质，并对近300个候选蛋白质进行了筛选之后，科学家们终于找到了一个使HEK细胞对7 MHz超声波频率敏感的蛋白质。TRPA1是一种通道蛋白，已知可以让细胞对有毒化合物的存在做出反应，并激活人体内的一系列细胞，包括大脑和心脏细胞。
但是Chalasani的团队发现，HEK细胞中的通道也因超声波而打开。
“这真的很令人惊讶，TRPA1在文献中得到了很好的研究，但还没有被描述为一种经典的机械敏感性蛋白质，可能会对超声波产生反应。”
为了测试该通道是否能激活其他类型的细胞以响应超声波，该团队使用了一种基因治疗方法，将人类TRPA1的基因添加到活体小鼠大脑中的一组特定神经元中。当他们给小鼠注射超声波时，只有带有TRPA1基因的神经元被激活。
目前，治疗帕金森病和癫痫等疾病的临床医生使用脑深部刺激，通过手术在大脑中植入电极来激活某些神经元亚群。Chalasani说，有朝一日，声遗传学可能会取代这种方法，下一步将是开发一种可以跨越血脑屏障的基因治疗传递方法，这一点已经在研究中了。
他说，也许更早，声遗传学可以用来激活心脏细胞，作为一种不需要植入的起搏器。Chalasani说：“基因传递技术已经存在，可以将TRPA1等新基因导入人类心脏。如果我们可以使用外部超声波设备激活这些细胞，这将真正彻底改变起搏器。”
目前，他的团队正在对TRPA1如何感知超声波进行更基础的研究。“为了使这一发现对未来的研究和临床应用更有用，我们希望确切地确定TRPA1的哪些部分有助于其超声灵敏度，并调整它们以增强这种灵敏度”。他们还计划再次对超声波敏感蛋白进行筛选，寻找能够抑制或关闭细胞对超声波反应的蛋白质。
参考文献
Sonogenetic control of mammalian cells using exogenous Transient Receptor Potential A1 channels
