Gelombang suara ditampilkan sebagai cahaya cahaya berosilasi. natrot / Shutterstock.com

Bagaimana jika Anda tidak perlu operasi untuk menanamkan alat pacu jantung pada jantung yang rusak? Bagaimana jika Anda bisa mengendalikan kadar gula darah Anda tanpa suntikan insulin, atau mengurangi timbulnya kejang bahkan tanpa menekan tombol?

Saya dan tim ilmuwan di Indonesia laboratorium saya di Institut Salk sedang mengatasi tantangan ini dengan mengembangkan teknologi baru yang dikenal sebagai sonogenetika, kemampuan untuk secara non-invasif mengontrol aktivitas sel menggunakan suara.

Dari cahaya ke suara

Saya seorang ilmuwan saraf tertarik untuk memahami bagaimana otak mendeteksi perubahan lingkungan dan merespons. Ahli saraf selalu mencari cara untuk mempengaruhi neuron dalam otak hidup sehingga kita dapat menganalisis hasilnya dan memahami cara otak itu bekerja dan cara merawat gangguan otak dengan lebih baik.

Membuat perubahan spesifik ini membutuhkan pengembangan alat baru. Selama dua dekade terakhir, alat bantu bagi para peneliti di bidang saya adalah optogenetika, suatu teknik di mana sel-sel otak yang direkayasa pada hewan dikendalikan dengan cahaya. Proses ini melibatkan memasukkan serat optik jauh di dalam otak hewan untuk mengirimkan cahaya ke wilayah target.

Ketika sel-sel saraf ini terpapar cahaya biru, protein peka cahaya diaktifkan, memungkinkan sel-sel otak untuk berkomunikasi satu sama lain dan memodifikasi perilaku hewan. Misalnya, hewan dengan penyakit Parkinson bisa jadi Sembuh dari guncangan tak disengaja mereka dengan menyinari cahaya pada sel-sel otak yang telah direkayasa secara khusus membuatnya menjadi peka cahaya. Tetapi kelemahan yang jelas adalah bahwa prosedur ini tergantung pada penanaman kabel ke otak - sebuah strategi yang tidak dapat dengan mudah diterjemahkan ke dalam orang.

Tujuan saya adalah untuk mencari cara memanipulasi otak tanpa menggunakan cahaya.

Kontrol suara

Saya menemukan bahwa USG - gelombang suara di luar jangkauan pendengaran manusia, yang noninvasif dan aman - adalah cara yang bagus untuk mengontrol sel. Karena suara adalah bentuk energi mekanik, saya berpikir bahwa jika sel-sel otak dapat dibuat sensitif secara mekanis, maka kita dapat memodifikasinya dengan USG. Penelitian ini membawa kami pada penemuan detektor mekanik protein pertama yang terjadi secara alami yang membuat sel-sel otak sensitif terhadap USG.

Teknologi kami bekerja dalam dua tahap. Pertama kami memperkenalkan materi genetik baru ke dalam kerusakan sel-sel otak menggunakan virus sebagai alat pengiriman. Ini memberikan instruksi bagi sel-sel ini untuk membuat protein yang responsif dengan ultrasound.

Langkah selanjutnya adalah memancarkan pulsa ultrasonik dari perangkat di luar tubuh hewan yang menargetkan sel dengan protein yang peka terhadap suara. Denyut ultrasonik mengaktifkan sel-sel secara jarak jauh.

Rentang frekuensi suara untuk gelombang infrasuara, suara, dan ultrasonik serta hewan yang dapat mendengarnya. Orang hanya dapat mendengar antara 20 Hz dan 20,000 Hz. Designua / Shutterstock.com

Bukti cacing

Kami adalah orang pertama yang menunjukkan caranya sonogenetika dapat digunakan untuk mengaktifkan neuron dalam cacing mikroskopis disebut Caenorhabditis elegans.

Menggunakan teknik genetik, kami mengidentifikasi protein alami yang disebut TRP-4 - yang ada di beberapa neuron cacing - yang sensitif terhadap perubahan tekanan ultrasound. Gelombang tekanan suara yang terjadi dalam kisaran ultrasonik berada di atas ambang normal untuk pendengaran manusia. Beberapa hewan, termasuk kelelawar, paus, dan bahkan ngengat, dapat berkomunikasi pada frekuensi ultrasonik ini, tetapi frekuensi yang digunakan dalam percobaan kami melampaui apa yang bahkan dapat dideteksi oleh hewan ini.

Tim saya dan saya menunjukkan bahwa neuron dengan protein TRP-4 sensitif terhadap frekuensi ultrasonik. Gelombang suara pada frekuensi ini mengubah perilaku cacing. Kami secara genetis mengubah dua neuron 302 cacing dan menambahkan gen TRP-4 yang kami tahu dari penelitian sebelumnya terlibat dengan mekanosensasi.

Kami menunjukkan bagaimana gelombang ultrasound dapat membuat cacing berubah arah, seolah-olah kami menggunakan remote control cacing. Pengamatan ini membuktikan bahwa kita bisa menggunakan USG sebagai alat untuk mempelajari fungsi otak pada hewan hidup tanpa memasukkan apa pun ke dalam otak.

Mengirim pulsa ultrasonik ke cacing yang membawa protein peka suara menyebabkannya berubah arah:

{disematkan Y=vLOqvBG6x-E}

Keuntungan dari sonogenetika

Temuan awal ini menandai lahirnya teknik baru yang menawarkan wawasan tentang bagaimana sel bisa bersemangat dengan suara. Selain itu, saya percaya bahwa hasil kami menunjukkan bahwa sonogenetika dapat diterapkan untuk memanipulasi berbagai jenis sel dan fungsi seluler.

C. elegans adalah titik awal yang baik untuk mengembangkan teknologi ini karena hewan itu relatif sederhana, dengan hanya neuron 302. Dari jumlah tersebut, TRP-4 hanya ada di delapan neuron. Jadi kita dapat mengontrol neuron lain dengan terlebih dahulu menambahkan TRP-4 ke mereka dan kemudian mengarahkan USG tepat pada neuron spesifik ini.

Tetapi manusia, tidak seperti cacing, tidak memiliki gen TRP-4. Jadi rencana saya adalah memperkenalkan protein peka suara ke dalam sel manusia spesifik yang ingin kita kontrol. Keuntungan dari pendekatan ini adalah bahwa USG tidak akan mengganggu sel-sel lain dalam tubuh manusia.

Saat ini tidak diketahui apakah protein selain TRP-4 sensitif terhadap USG. Mengidentifikasi protein semacam itu, jika ada, adalah bidang studi intensif di lab dan lapangan saya.

Bagian terbaik tentang sonogenetika adalah tidak memerlukan implan otak. Untuk sonogenetika, kami menggunakan virus yang direkayasa secara artifisial - yang tidak dapat ditiru - untuk mengirimkan materi genetik ke sel-sel otak. Ini memungkinkan sel untuk memproduksi protein yang peka terhadap suara. Metode ini telah digunakan untuk mengirimkan materi genetik ke darah manusia dan sel otot jantung pada babi.

Sonogenetika, meskipun masih dalam tahap perkembangan awal, menawarkan strategi terapi baru untuk berbagai gangguan terkait gerakan termasuk Parkinson, epilepsi dan tardive. Pada semua penyakit ini, sel-sel otak tertentu berhenti bekerja dan mencegah gerakan normal. Sonogenetika dapat memungkinkan dokter untuk menghidupkan atau mematikan sel-sel otak pada lokasi atau waktu tertentu dan mengobati gangguan pergerakan ini tanpa operasi otak.

Agar ini berhasil, daerah target otak perlu terinfeksi dengan virus yang membawa gen untuk protein yang peka terhadap suara. Ini telah dilakukan pada tikus tetapi belum pada manusia. Terapi gen menjadi lebih baik dan lebih tepat, dan saya berharap bahwa peneliti lain akan menemukan cara untuk melakukan ini pada saat kita siap dengan teknologi sonogenetik kita.

Memperluas sonogenetika

Kami telah menerima dukungan substansial untuk memajukan teknologi ini, bahan bakar studi awal dan membentuk tim interdisipliner.

Dengan dana tambahan dari Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan Program ElectRx, kita dapat fokus pada menemukan protein yang dapat membantu kita "mematikan" neuron. Kami baru-baru ini menemukan protein yang dapat dimanipulasi untuk mengaktifkan neuron (pekerjaan yang tidak dipublikasikan). Ini sangat penting untuk mengembangkan strategi terapi yang dapat digunakan untuk mengobati penyakit sistem saraf pusat seperti Parkinson.

Menyentuh daun tanaman Mimosa pudica memicu respons lipat yang menyebabkan daun menutup. Tanaman ini juga sensitif terhadap USG yang dapat memicu reaksi yang sama:

{disematkan Y=7lP35rsQu8c}

Tim kami juga berupaya mengembangkan teknologi sonogenetik. Kami sekarang telah mengamati bahwa tanaman tertentu, seperti "jangan sentuh aku" (Mimosa pudica), sensitif terhadap USG. Sama seperti daun tanaman ini diketahui runtuh dan terlipat ke dalam ketika disentuh atau diguncang, menerapkan gelombang ultrasonik ke cabang yang terisolasi menghasilkan respons yang sama. Akhirnya, kami mengembangkan metode yang berbeda untuk menguji apakah USG dapat mempengaruhi proses metabolisme seperti sekresi insulin dari sel pankreas.

Sonogenetika suatu hari bisa mengelak dari obat-obatan, menghilangkan kebutuhan untuk operasi otak invasif dan berguna untuk kondisi mulai dari gangguan stres pasca-trauma dan gangguan pergerakan hingga nyeri kronis. Potensi besar untuk sonogenetika adalah teknologi ini dapat diterapkan untuk mengendalikan hampir semua jenis sel: dari sel penghasil insulin di pankreas hingga berjalan di jantung.

Harapan kami adalah bahwa sonogenetika merevolusi bidang ilmu saraf dan kedokteran.

tentang Penulis

Sreekanth Chalasani, Associate Professor Neurobiologi Molekuler (Salk Institute) dan Asisten Profesor Neurobiologi, University of California San Diego

Artikel ini diterbitkan kembali dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Membaca Artikel asli.