「Nature子刊」突破！首次用聲波控制哺乳動物細胞，非侵入式「聲遺傳學」技術或將取代手術植入物

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作者：Liz Zee

導讀：索爾克生物研究所的科學家們十年時間開發出一種利用超聲波控制哺乳動物細胞的技術，這種技術被稱為「聲遺傳學」，可以有選擇性地、非侵入式地激活神經元亞群。這項技術或將取代手術植入物，將會是科學界和醫學界的一大福音。

索爾克生物研究所的科學家們利用超聲波對哺乳動物細胞進行「設計」，使其被激活。研究小組用這種方法激活培養皿中的人類細胞和活的小鼠體內的腦細胞，為非侵入式的深度腦刺激、心臟起搏器和胰島素泵奠定了基礎。該研究論文於昨日（2022年2月9日）發表在《Nature Communications》上，題為「Sonogenetic control of mammalian cells using exogenous Transient Receptor Potential A1 channels」。

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28205-y

索爾克分子神經生物學實驗室副教授、該論文的資深作者Sreekanth Chalasani說，「幾乎所有事物的未來都將會是『無線化』的。我們已經了解到超聲波是安全的，可以穿過骨骼、肌肉和其他組織，完全可以發展為操縱人體深處細胞的終極工具。」

大約十年前，Chalasani提出了使用超聲波刺激特定細胞群的想法，並將其命名為「聲遺傳學（sonogenetics）」。2015年，Chalasani的研究小組就發現，在秀麗隱杆線蟲（Caenorhabditis elegans，C. elegans）中，一種名為TRP-4的蛋白質會使細胞對低頻超聲波作出反應。當研究人員將TRP-4添加到通常不攜帶TRP-4的秀麗隱杆線蟲神經元上時，他們可以通過一種超聲波（與醫學超聲檢查中使用的聲波相同）來激活這些細胞。

https://doi.org/10.1038/ncomms9264

然而，當研究人員嘗試將TRP-4添加到哺乳動物細胞中時，該蛋白卻無法使細胞對超聲波產生反應。一些研究中發現的對超聲波敏感的哺乳動物蛋白中，沒有一種是適合在臨床上使用的。因此，Chalasani及其同事開始尋找一種新的哺乳動物蛋白，能夠使細胞對7MHz（被認為是最佳且最安全的頻率）頻率下的超聲波做出反應。

研究人員將數百種不同的蛋白質，每次一種，添加到普通的人體研究細胞系（HEK）中，這種細胞系通常對超聲波沒有反應。然後，他們挨個將每個細胞培養物置於一個裝置下，讓他們監測細胞在超聲刺激下的變化。

經過一年多的篩選，對近300種候選蛋白進行了實驗，科學家們終於找到了一種能使HEK細胞對7MHz頻率的超聲波作出反應的蛋白。TRPA1是一種通道蛋白（channel protein，一類橫跨細胞膜，能使適宜大小的分子及帶電荷的分子通過簡單的自由擴散運動，從質膜的一側轉運到另一側的蛋白質），可以讓細胞對有毒化合物的存在作出反應，並激活人體內的一系列細胞，包括腦細胞和心肌細胞。但Chalasani的研究團隊發現，在HEK細胞中，該通道也會在超聲波的作用下打開。

該論文的第一作者Marc Duque說，「以往，研究人員已經對TRPA1進行了很深入的研究，但並沒有被發現它是一種典型的（對超聲波有反應的）機械敏感性通道蛋白。」

為了測試該通道是否可以在超聲波的作用下激活其他類型的細胞，研究小組使用基因治療方法，將人類的TRPA1基因添加到活體小鼠大腦的特定神經元組中。隨後他們對小鼠進行超聲波治療，只有攜帶TRPA1基因的神經元被激活。

小鼠大腦中的神經元（洋紅色），加入了TRPA1基因的特定神經元（白色）

目前，臨床醫生治療帕金森病和癲癇等疾病使用的是深度腦刺激這一方法，即通過手術將電極植入大腦，以激活某些神經元亞群。Chalasani說，有朝一日，聲遺傳學將取代這一治療方法，下一步就是開發一種可以穿過血腦屏障的基因治療遞送方法（目前已經在研究中了）。

Chalasani說，也許在不久的將來，聲遺傳學可以作為一種無需植入的起搏器，用於激活心肌細胞。「基因遞送技術是一種已經存在的技術，可以將一種新基因（如TRPA1）植入人類心臟。如果我們可以使用外部超聲波設備來激活這些細胞，那這將會是起搏器的一種革命性變化！」

目前，Chalasani的研究團隊正在對TRPA1如何感知超聲波進行更基礎的研究。「為了讓這一發現能夠在未來的研究和臨床應用中更加實用，我們將會確定調節TRPA1的哪些部分能夠增強對超聲波的反應。」該論文的第一作者、索爾克生物研究所的前博士後研究員Corinne Lee-Kubli說。

此外，他們還計劃進行另一項對超聲波敏感蛋白的篩查，這項篩查旨在尋找能夠抑制或關閉細胞對超聲波反應的活性蛋白質。

參考資料：

https://www.salk.edu/news-release/in-a-first-for-sonogenetics-researchers-control-mammalian-cells-with-sound/

註：本文旨在介紹醫學研究進展，不能作為治療方案參考。如需獲得健康指導，請至正規醫院就診。