RAPORT

KORONAWIRUS: MAPY, STATYSTYKI, PORADY

Termogenetyka ultradźwiękowa – jeszcze nie Święty Graal, ale…

W mózgu jest 86 miliardów neuronów (fot. Shutterstock/Gorodenkoff)
W mózgu jest 86 miliardów neuronów (fot. Shutterstock/Gorodenkoff)

Neuronauki to takie miejsce, gdzie spotykają się specjaliści wszelkich możliwych dziedzin, aby wspólnie poznać nasz wewnętrzny kosmos – mózg. Czy marzeniem jest uzyskanie nad nim pełnej kontroli? Pisałam o tym zagadnieniu już wcześniej i wydaje się, że zainteresowanie żywią armie i korporacje, ale do tego trzeba najpierw mózg doskonale zrozumieć, przynajmniej funkcjonalnie. Czyli odpowiadając na trudne pytanie: jak to działa?

Skąd się biorą białka?

Ewolucyjną tajemnicę pochodzenia białek „z niczego”, a dokładnie z „milczącego DNA” rozszyfrowali uczeni niemieccy i amerykańscy. Wszystko dzięki...

zobacz więcej

Dlaczego to trudne pytanie? Bo neuronów w mózgu jest 86 miliardów, a już od jakiegoś czasu wiadomo, że dla jego wspaniale skoordynowanej pracy ważne są rozproszone po nim sieci funkcjonalne, a nie wyłącznie silnie skupione ośrodki. Trzeba by się zatem wybiórczo badawczo „przypiąć” do kilku, a nie kilku tysięcy neuronów, co jest dziś absolutnym limitem poznawczym.

Zrozumienie tego centralnego organu kognitywno-zarządzającego naszego organizmu jest bardzo odległe. Jednak nowa technologia – genetyka ultradźwiękowa – może się okazać absolutnie przełomowa, gdyż jest bardzo selektywna a jednocześnie absolutnie nieinwazyjna. Dotychczasowe techniki nieinwazyjne badania mózgu opierały się albo na skanowaniu jego powierzchniowej aktywności elektrycznej w kluczowych obszarach kory (liczne techniki oparte o elektroencefalografie, czyli EEG) albo na obrazowaniu w różnego rodzaju tomografiach funkcjonalnych (np. fMRI).

W pierwszym przypadku dało się obserwować bardzo niewielkie zmiany, ale jedynie na powierzchni mózgu (po elektrody umieszcza się na czaszce, a nie wewnątrz niej). W drugim przypadku obserwujemy aktywność metaboliczna sporych wewnętrznych obszarów mózgu, zakładając, że neurony aktywne muszą podnieść swoja przemianę materii – co niekoniecznie zawsze musi być prawdziwe.

Zobacz także: Transgeniczne komary już latają nad USA, czyli o genetycznych kamikadze

Rak – odwieczny zabójca

Uczeni z Uniwersytetu Cambridge wzięli pod molekularne „lupy” średniowieczne kości, by wykazać, że zaawansowane nowotwory były wtedy przyczyną...

zobacz więcej

Nowe podejście, przetestowane właśnie z dobrym skutkiem na gryzoniach, o czym autorzy z Uniwersytetu Waszyngtona w St Louis (Missouri) poinformowali na łamach czasopisma „Brain Stimulation”, polega na precyzyjnym podaniu do mózgu fali ultradźwiękowej. Cóż się wtedy dzieje? O ile spełnimy kilka warunków, dzieje się sonotermogenetyka, co można na polski bardziej zrozumiale przetłumaczyć jako termogenetyka ultradźwiękowa. W jej obmyśleniu i zastosowaniach zespół z St. Louis pod kierunkiem inżyniera biomedycznego Jianmin Cui, specjalisty od kanałów jonowych.

Żeby pójść dalej, musimy zrozumieć, co to. Otóż komórki są otoczone błoną z lipidów – zasadniczo zatem nieprzepuszczalną dla jonów rozpuszczonych w wodzie. Komórki jednak ich potrzebują do życia i działania, a zwłaszcza komórki pobudliwe (neurony i mięśnie), bo bez szybkiego przemieszczania się jonów (sodu, potasu, chloru etc.) w poprzek błony, nie byłoby żadnej pobudliwości, czyli elektryczny impuls nerwowy nie przemieszczałby się wzdłuż neuronu niczym meksykańska fala po trybunie stadionu.

Owo przemieszczanie się jonów zgodnie z gradientem ich stężeń (czyli z wyższego do niższego stężenia w poprzek błony komórkowej) zapewniają kanały jonowe. To takie bardzo ściśle regulowane białkowe pory w błonie. Mogą być regulowane przez napięcie elektryczne na błonie, napięcie mechaniczne, różne związki chemiczne, wreszcie także, jak się okazało dzięki badaniom profesora Cui z 2016 r., także temperaturę.

Strategia szczepień oparta na faktach

Żyjemy w świecie głębokiej specjalizacji. Zwłaszcza w nauce. Bywa to źródłem wielkich osiągnięć, bo „jak coś jest do wszystkiego to jest do...

zobacz więcej

Gdzie mamy taki kanał? Ano na przykład w peryferyjnych neuronach czuciowych w języku, który czasem bywa pobudzany przez potrawy „ostre” jak papryczka chili. Nazywa się TRPV1, a jego odkrycie pokazało, że gdy jemy pieprz i inne ostre przyprawy, to nasz język nie odbiera żadnego tajemnego, nieznanego jeszcze smaku, tylko wielkie ciepło i tę właśnie informację przekazuje do mózgu, gdy my objadamy się jakimś meksykańskim, indyjskim albo koreańskim przysmakiem.

Kanał ten jest również i w innych miejscach obwodowego i ośrodkowego układu nerwowego, a jest kluczowy dla regulacji temperatury naszego ciała. Jeśli zablokować te kanały - receptory ciepła, nie będziemy odczuwać lokalnie zmian temperatury. W branży farmaceutycznej pozwala to na danie pacjentom z chorobami zapalnymi lub silnymi bólami piekącymi szansę na wyleczenie ich schorzeń ze zminimalizowanym bólem.

Teraz kolejny kawałek układanki tkwi w tym, że gdy zastosować skoncentrowane źródło fali ultradźwiękowej, tkanka będzie się miejscowo ogrzewać. Wreszcie zaś puzel genetyczny to gen kanału TRPV1 włożony w adenowirusa, po czym podany myszom iniekcję do mózgu. Tamże ulegnie on aż nadmiernej ekspresji, czyli po krótkim czasie białko termowrażliwego kanału jonowego zostanie wbudowane w błony wybranych neuronów. Bowiem od zastosowanego „wstępu” do genu, zwanego promotorem, zależy, w jakich komórkach nerwowych ów kanał będzie produkowany.

Zobacz także: Mątwa zdolna do ascezy

Odkryli szkielety piratów sprzed 300 lat. Teraz szukają... ich potomków

Amerykańscy archeolodzy dokonali niezwykłego odkrycia u wybrzeży półwyspu Cape Cod. Udało im się natrafić na szkielety piratów ze statku, który...

zobacz więcej

Od tego momentu możemy stosowny miniaturowy generator ultradźwięków umieścić myszy na głowie i patrzyć, jak konkretne, wybrane przez nas grupy neuronów są aktywowane za pomocą tych fal, co uczeni zrobili w celu udowodnienia słuszności swojej koncepcji. Kolejne etapy to zobaczyć, na ile można by tak poindukować działanie neuronów u osób cierpiących np. na schorzenia neurodegeneracyjne czy poważne zaburzenia pobudliwości, jak chociażby choroba Parkinsona.

To nie pierwsza technika tego typu. Od kilku dobrych lat w neuronaukach i badaniach na zwierzętach stosuje się optogenetykę. To podobny nieinwazyjny koncept, tylko zamiast kanału jonowego wrażliwego na temperaturę, stosuje się kanały jonowe wrażliwe na konkretne długości fali świetlnej, na ogół izolowane z glonów. Też trzeba je podać w formie genu wklonowanego w wirusa. Na tym oparte są terapie genetyczne przyszłości.

Wydaje się, że termogenetyka ultradźwiękowa może być jeszcze bardziej selektywna, niż optogenetyka – już dziś działa na obszary ok. milimetra sześciennego. W dodatku ultradźwiekiową falą potrafimy dotrzeć znacznie głębiej niż świetlną. A zatem pobudzić neurony położone w miejscach mózgu, gdzie nie docierały inne technologie nieinwazyjne. I obserwować, co się wtedy stanie.

Już optogenetyka dostarczyła neuronaukom mnóstwo nieznanych wcześniej funkcjonalnych obwodów nerwowych do studiowania. Możemy spokojnie przypuścić, że teraz będzie podobnie. Obie techniki nie wywołują w mózgu żadnych zmian patologicznych.

Zobacz także: Płeć mózgu widziana na nowo

Nie da się mówić, że nic się nie dzieje

Minął rok i na procesy związane z pandemią mogą już zacząć patrzeć ewolucjoniści. Czyli specjaliści od zmiany rozwojowej, od adaptacji, od selekcji...

zobacz więcej

Oczywiście badanie samego stymulującego wpływu ultradźwięków na mózg nie są zakończone… Dlatego nie dziwi, że w tym samym czasie co powyższe wyniki sprawozdane w „Brain Stimulation”, na łamach „Nature Communications pojawiła się praca innego zespołu badawczego pod kierunkiem Bin He z Carnegie Mellon University w Pittsburghu. I tu badano na mózgach gryzoni (tyle że uśpionych) neuromodulację uzyskiwaną za pomocą skoncentrowanej wiązki ultradźwięków o różnych częstościach i amplitudzie pulsu. Okazało się, że rejestrowana aktywność elektryczna neuronów pod wpływem owych różnorodnych stymulacji zasadniczo zależała od typu neuronów. A zatem mamy w ręku coś z natury działającego w mózgu bardzo selektywynie.

Jak zauważają w swej publikacji ci ostatni autorzy, mózg składa się z neuronów, a zatem da się zastosować nie tylko chemiczną modulację (np. za pomocą leków, w tym tak nowoczesnych jak projektowane w laboratorium receptory aktywowane wyłącznie przez projektowane leki czy dostarczanie leków wspomagane mikropęcherzykami.

Możliwa i coraz powszechniej wykorzystywana jest także „fizyczna neuromodulacja, możliwa w celu leczenia i poprawy jakości życia osób cierpiących na zaburzenia neurologiczne i badania mózgu. Przez dziesięciolecia powstały niezliczone metody neuromodulacji mózgu, takie jak głęboka stymulacja mózgu, przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS), przezczaszkowa stymulacja prądem (TCS), optogenetyka, sonogenetyka, w tym sonoselektywna transfekcja wirusem oraz stymulacja magnetyczna za pośrednictwem nanomateriałów.”

Biologiczna „tablica Mendelejewa”, czyli po co w nauce uogólnienia

W nauce biologii nie cierpimy od czasów szkolnych jednej podstawowej rzeczy: że są tam same szczegóły i żadnego systemu, który pozwalałby to...

zobacz więcej

O krótkie wyjaśnienie tej złożoności i krótkie pokazanie na przykładach możliwych zastosowań tych technik poprosiłam dr. Pawła Boguszewskiego, kierownika Pracowni metod Behawioralnych Instytutu biologii Doświadczalnej PAN w Warszawie. Jak to uczony, zaczął od marzeń, nadal jeszcze nie do spełnienia.

„Świętym Graalem neuromodulacji będzie technika pozwalająca zmienić aktywność pojedynczych neuronów bez wpływu na sąsiednią tkankę mózgową, z wysoką rozdzielczością czasową i do tego jak najmniej inwazyjna – nie powodująca zbędnej ingerencji w organizm osoby badanej. Najlepiej, gdyby urządzenie to było niewielkie, przenośne i bezprzewodowe” – powiedział

Gdy się nie ma, co się lubi, to się lubi, co się ma. Dlatego dr Boguszewski opowiedział mi również o elektrycznych stymulacjach układu nerwowego.

„Od 15 lat stosuje się głęboką stymulacja mózgu (DBS) jako niezwykle skuteczną terapią likwidującą objawy choroby Parkinsona. Wymaga to jednak wprowadzenia w głębokie struktury mózgu pacjenta metalowych elektrod, które dostarczają delikatne impulsy elektryczne ze stymulatora wczepionego w okolice obojczyka. Nadal jednak daleko do poziomu pojedynczych neuronów. DBS jest metodą inwazyjną, ale bardzo obiecującą i dynamicznie rozwijającą się” – wyjaśnił.

Po co nam archaiczny DNA – czyli o zębie sprzed 1,6 mln lat

Udało się poznać sekwencję DNA sprzed 1,6 mln lat. I niekoniecznie archeogenetyka stanęła tym samym pod ścianą typu „starszego się już nie da”. Czy...

zobacz więcej

Jak wyjaśnił dalej dr Boguszewski, nieinwazyjne są z kolei wspomniane wyżej techniki TMS i TCS. Niestety obie są bardzo niespecyficzne przestrzennie i działają jedynie na rozległe obszary kory mózgowej, nigdy głębiej.

„Technika skoncentrowanych ultradźwięków wydaje się zatem obiecująca, ponieważ udaje się skupić pobudzenie tkanki w objętości kilku mm3 bez aktywacji komórek sąsiednich. Jednak pobudzenie to jest niewielkie, bo tkanka nerwowa sama z siebie nie reaguje silnie na ultradźwięki” – zauważył.

„Z pomocą przychodzi tu inżynieria genetyczna – metody sztucznego uwrażliwienia neuronów na czynniki fizyczne, na które normalnie nie reagują. Przy zastosowaniu wektorów wirusowych można zmodyfikować genetycznie jedynie wybrane neurony tak, by zmieniały swoją aktywność pod wpływem światła (optogenetyka) lub temperatury (termogenetyka ultradźwiękowa). I dzięki temu możemy aktywować lub dezaktywować wybrane populacje neuronów. Do Świętego Graala neuromodulacji jednak nam jeszcze daleko” – powiedział.

źródło:
Zobacz więcej