Investigadores identifican proteína de mamífero sensible al sonido que les permite activar el cerebro, el corazón u otras células con ultrasonido – ScienceDaily

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Los científicos de Salk diseñaron células de mamíferos para que se activaran mediante ultrasonido. El método, que el equipo usó para activar células humanas en un plato y células cerebrales dentro de ratones vivos, allana el camino para versiones no invasivas de estimulación cerebral profunda, marcapasos y bombas de insulina. Los resultados fueron publicados en Comunicaciones de la naturaleza el 9 de febrero de 2022.

«Pasar a la tecnología inalámbrica es el futuro para casi todo», dice el autor principal Sreekanth Chalasani, profesor asociado en el Laboratorio de Neurobiología Molecular Salk. «Ya sabemos que el ultrasonido es seguro y que puede atravesar huesos, músculos y otros tejidos, lo que lo convierte en la herramienta definitiva para manipular células en las profundidades del cuerpo».

Hace aproximadamente una década, Chalasani fue pionero en la idea de usar ondas de ultrasonido para estimular grupos específicos de células marcadas genéticamente y acuñó el término «sonogenética» para describirlo. En 2015, su grupo lo demostró, en el nematodo Caenorhabditis elegans, una proteína llamada TRP-4 hace que las células sean sensibles a los ultrasonidos de baja frecuencia. Cuando los investigadores agregaron TRP-4 a C. elegans las neuronas que normalmente no lo tienen, podrían activar estas células con una ráfaga de ultrasonido, las mismas ondas de sonido que se usan en las ecografías médicas.

Sin embargo, cuando los investigadores intentaron agregar TRP-4 a las células de mamíferos, la proteína no pudo hacer que las células respondieran al ultrasonido. Se descubrió que algunas proteínas de mamíferos eran sensibles a los ultrasonidos, pero ninguna parecía ideal para uso clínico. Entonces, Chalasani y sus colegas se propusieron buscar una nueva proteína de mamífero que hiciera que las células fueran altamente sensibles al ultrasonido de 7 MHz, que se considera una frecuencia óptima y segura.

«Nuestro enfoque fue diferente de las pantallas anteriores porque nos propusimos buscar canales sensibles al ultrasonido de manera integral», dice Yusuf Tufail, ex científico del proyecto en Salk y coautor del nuevo artículo.

Los investigadores agregaron cientos de proteínas diferentes, una a la vez, a una línea celular común de investigación humana (HEK), que generalmente no responde al ultrasonido. Luego, colocan cada cultivo celular en una configuración que les permite monitorear los cambios en las células después de la estimulación con ultrasonido.

Después de examinar las proteínas durante más de un año y examinar casi 300 candidatos, los científicos finalmente encontraron uno que hizo que las células HEK fueran sensibles a la frecuencia de ultrasonido de 7 MHz. Se sabía que TRPA1, una proteína de canal, permitía que las células respondieran a la presencia de compuestos nocivos y para activar una variedad de células en el cuerpo humano, incluidas las células en el cerebro y el corazón.

Pero el equipo de Chalasani descubrió que el canal también se abrió en respuesta al ultrasonido en las células HEK.

«Nos sorprendió mucho», dice el coautor del periódico Marc Duque, estudiante de intercambio de Salk. «TRPA1 se ha estudiado bien en la literatura, pero no se ha descrito como una proteína mecanosensible clásica que se esperaría que respondiera al ultrasonido».

Para probar si el canal podría activar otros tipos de células en respuesta al ultrasonido, el equipo utilizó un enfoque de terapia génica para agregar genes para TRPA1 humano a un grupo específico de neuronas en los cerebros de ratones vivos. Cuando luego les dieron a los ratones el ultrasonido, solo se activaron las neuronas con los genes TRPA1.

Los médicos que tratan afecciones como la enfermedad de Parkinson y la epilepsia utilizan actualmente la estimulación cerebral profunda, que consiste en implantar quirúrgicamente electrodos en el cerebro para activar ciertos subconjuntos de neuronas. Chalasani dice que la sonogenética podría algún día reemplazar este enfoque: el próximo paso sería el desarrollo de un método de administración de terapia génica capaz de cruzar la barrera hematoencefálica, algo que ya está en estudio.

Quizás antes, dice, el ultrasonido podría usarse para activar células en el corazón, como una especie de marcapasos que no requiere implantación. «Ya existen técnicas de administración de genes para obtener un nuevo gen, como TRPA1, en el corazón humano», dice Chalasani. «Si pudiéramos usar un dispositivo de ultrasonido externo para activar esas células, realmente podría revolucionar los marcapasos».

Por ahora, su equipo está haciendo un trabajo más básico sobre cómo TRPA1 percibe el ultrasonido. «Para que este descubrimiento sea más útil para futuras investigaciones y aplicaciones clínicas, esperamos determinar exactamente qué partes de TRPA1 contribuyen a su sensibilidad al ultrasonido y modificarlas para mejorar esta sensibilidad», dice Corinne Lee-Kubli, coautora de la revista. y ex becaria postdoctoral en Salk.

También planean realizar otra evaluación de proteínas sensibles al ultrasonido, esta vez en busca de proteínas que puedan inhibir o detener la actividad de una célula en respuesta al ultrasonido.

Los otros autores del artículo fueron Uri Magaram, Janki Patel, Ahana Chakraborty, José Mendoza López, Eric Edsinger, Rani Shiao y Connor Weiss de Salk; y Aditya Vasan y James Friend de UC San Diego.

El trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (R01MH111534, R01NS115591), Brain Research Foundation, Kavli Institute of Brain and Mind, Life Sciences Research Foundation, WM Keck Foundation (SERF) y Waitt Advanced Biophotonics y GT3 Cores (que reciben financiamiento a través de NCI CCSG P30014195 y NINDSR24).

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