O novo campo da sonogenética usa ondas sonoras para controlar o comportamento das células cerebrais

O novo campo da sonogenética usa ondas sonoras para controlar o comportamento das células cerebrais
As ondas sonoras são exibidas como uma luz oscilante. natrot / Shutterstock.com

E se você não precisasse de cirurgia para implantar um marcapasso em um coração com defeito? E se você pudesse controlar seus níveis de açúcar no sangue sem uma injeção de insulina ou mitigar o início de uma convulsão sem pressionar um botão?

Eu e uma equipe de cientistas em meu laboratório no Instituto Salk estão enfrentando esses desafios desenvolvendo uma nova tecnologia conhecida como sonogenética, a capacidade de controlar de maneira não invasiva a atividade das células usando o som.

Da luz ao som

Eu sou neurocientista interessado em entender como o cérebro detecta mudanças ambientais e responde. Os neurocientistas estão sempre procurando maneiras de influenciar os neurônios nos cérebros vivos, para que possamos analisar o resultado e entender como o cérebro funciona e como tratar melhor os distúrbios cerebrais.

A criação dessas mudanças específicas requer o desenvolvimento de novas ferramentas. Nas últimas duas décadas, a ferramenta essencial para pesquisadores da minha área tem sido a optogenética, uma técnica na qual células cerebrais manipuladas em animais são controladas com luz. Esse processo envolve a inserção de uma fibra óptica profundamente no cérebro do animal para fornecer luz à região-alvo.

Quando essas células nervosas são expostas à luz azul, a proteína sensível à luz é ativada, permitindo que essas células do cérebro se comuniquem e modifiquem o comportamento do animal. Por exemplo, animais com doença de Parkinson podem ser curado de seus tremores involuntários por luz brilhante nas células cerebrais que foram especialmente projetadas, tornando-as sensíveis à luz. Mas a desvantagem óbvia é que esse procedimento depende da implantação cirúrgica de um cabo no cérebro - uma estratégia que não pode ser facilmente traduzida nas pessoas.

Meu objetivo era descobrir como manipular o cérebro sem usar a luz.

Controle de som

Descobri que o ultrassom - ondas sonoras além do alcance da audição humana, que não são invasivas e seguras - é uma ótima maneira de controlar as células. Como o som é uma forma de energia mecânica, imaginei que se as células cerebrais pudessem se tornar mecanicamente sensíveis, poderíamos modificá-las com ultra-som. Esta pesquisa nos levou à descoberta do primeiro detector mecânico de proteínas de ocorrência natural que tornou as células cerebrais sensíveis ao ultra-som.

Nossa tecnologia funciona em duas etapas. Primeiro, introduzimos novo material genético nas células cerebrais com defeito, usando um vírus como dispositivo de entrega. Isso fornece as instruções para essas células produzirem as proteínas que respondem ao ultrassom.

O próximo passo é emitir pulsos de ultrassom de um dispositivo fora do corpo do animal, visando as células com as proteínas sensíveis ao som. O pulso do ultrassom ativa remotamente as células.

O novo campo da sonogenética usa ondas sonoras para controlar o comportamento das células cerebrais
A freqüência de som varia para ondas infra-sonoras, sonoras e ultra-sonográficas e os animais que podem ouvi-las. As pessoas podem ouvir apenas entre 20 Hz e 20,000 Hz. Designua / Shutterstock.com

Prova em worms

Fomos os primeiros a mostrar como sonogenética pode ser usada para ativar neurônios em um verme microscópico chamado Caenorhabditis elegans.

Usando técnicas genéticas, identificamos uma proteína natural chamada TRP-4 - que está presente em alguns dos neurônios do verme - que era sensível às mudanças na pressão do ultrassom. As ondas de pressão sonora que ocorrem na faixa ultrassônica estão acima do limiar normal da audição humana. Alguns animais, incluindo morcegos, baleias e até mariposas, podem se comunicar nessas frequências ultrassônicas, mas as frequências usadas em nossos experimentos vão além do que esses animais podem detectar.

Minha equipe e eu demonstramos que os neurônios com a proteína TRP-4 são sensíveis às frequências ultrassônicas. As ondas sonoras nessas frequências mudaram o comportamento do verme. Alteramos geneticamente dois dos neurônios 302 do worm e adicionamos o gene TRP-4 que sabíamos de estudos anteriores estava envolvido com a mecanossensibilidade.

Mostramos como os pulsos de ultrassom poderiam fazer os vermes mudarem de direção, como se estivéssemos usando um controle remoto de verme. Essas observações provaram que poderíamos usar o ultrassom como uma ferramenta para estudar a função cerebral em animais vivos sem inserir nada no cérebro.

Enviar um pulso de ultrassom a um verme que carrega proteínas sensíveis ao som faz com que ele mude de direção:

As vantagens da sonogenética

Essa descoberta inicial marcou o nascimento de uma nova técnica que oferece informações sobre como as células podem ser excitadas pelo som. Além disso, acredito que nossos resultados sugerem que a sonogenética pode ser aplicada para manipular uma ampla variedade de tipos e funções celulares.

C. elegans foi um bom ponto de partida para o desenvolvimento dessa tecnologia, porque o animal é relativamente simples, com apenas neurônios 302. Destes, o TRP-4 está presente em apenas oito neurônios. Assim, podemos controlar outros neurônios adicionando primeiro TRP-4 a eles e direcionando o ultrassom precisamente para esses neurônios específicos.

Mas os humanos, diferentemente dos vermes, não possuem o gene TRP-4. Portanto, meu plano é introduzir a proteína sensível ao som nas células humanas específicas que queremos controlar. A vantagem dessa abordagem é que o ultrassom não interfere com outras células do corpo humano.

Atualmente, não se sabe se outras proteínas além do TRP-4 são sensíveis ao ultra-som. Identificar essas proteínas, se houver alguma, é uma área de intenso estudo no meu laboratório e no campo.

A melhor parte da sonogenética é que ela não requer um implante cerebral. Para a sonogenética, usamos vírus criados artificialmente - que não conseguem se replicar - para fornecer material genético às células do cérebro. Isso permite que as células fabricem proteínas sensíveis ao som. Este método foi usado para entregar material genético ao sangue humano e células musculares do coração em porcos.

A sonogenética, embora ainda nos estágios iniciais de desenvolvimento, oferece uma nova estratégia terapêutica para vários distúrbios relacionados ao movimento, incluindo Parkinson, epilepsia e discinesia. Em todas essas doenças, certas células cerebrais param de funcionar e impedem movimentos normais. A sonogenética pode permitir que os médicos liguem ou desliguem as células cerebrais em um local ou horário específico e tratem esses distúrbios do movimento sem cirurgia no cérebro.

Para que isso funcione, a região-alvo do cérebro precisaria estar infectada com o vírus portador dos genes da proteína sensível ao som. Isso foi feito em ratos, mas ainda não em humanos. A terapia gênica está ficando cada vez melhor e mais precisa, e espero que outros pesquisadores tenham descoberto como fazer isso quando estivermos prontos com nossa tecnologia sonogenética.

Estendendo a sonogenética

Nós recebemos suporte substancial para avançar nessa tecnologia, alimentar o estudo inicial e estabelecer uma equipe interdisciplinar.

Com financiamento adicional da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa Programa ElectRx, podemos nos concentrar em encontrar proteínas que podem nos ajudar a "desligar" os neurônios. Recentemente, descobrimos proteínas que podem ser manipuladas para ativar neurônios (trabalho não publicado). Isso é crucial para o desenvolvimento de uma estratégia terapêutica que possa ser usada para tratar doenças do sistema nervoso central como a de Parkinson.

Tocar na folha da planta Mimosa pudica desencadeia uma resposta dobrável que faz com que as folhas se fechem. A planta também é sensível ao ultrassom, que pode desencadear a mesma reação:

Nossa equipe também está trabalhando na expansão da tecnologia sonogenética. Observamos agora que certas plantas, como o "não me toque" (Mimosa pudica), são sensíveis ao ultrassom. Assim como as folhas desta planta são conhecidas por colapsar e dobrar para dentro quando tocadas ou sacudidas, a aplicação de pulsos de ultrassom em um galho isolado produz a mesma resposta. Finalmente, estamos desenvolvendo um método diferente para testar se o ultrassom pode influenciar processos metabólicos, como a secreção de insulina das células pancreáticas.

Um dia, a sonogenética poderia contornar os medicamentos, eliminar a necessidade de cirurgias cerebrais invasivas e ser útil para condições que variam de distúrbios de estresse pós-traumático e distúrbios de movimento a dores crônicas. O grande potencial da sonogenética é que essa tecnologia poderia ser aplicada para controlar praticamente qualquer tipo de célula: de uma célula produtora de insulina no pâncreas até a estimulação do coração.

Nossa esperança é que a sonogenética revolucione os campos da neurociência e da medicina.

Sobre o autor

Sreekanth Chalasani, Professor Associado de Neurobiologia Molecular (Salk Institute) e Professor Adjunto Assistente de Neurobiologia, University of California San Diego

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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