索爾克分子神經生物學實驗室（Salk’s Molecular Neurobiology Laboratory）副教授、資深作者斯里坎斯·查拉薩尼（Sreekanth Chalasani）表示：“幾乎所有事情的未來都將是無線化。”“我們已經知道超聲波是安全的，它可以穿過骨骼、肌肉和其他組織，使其成為操縱人體深層細胞的最終工具。”
大約十年前，Chalasani率先提出了使用超聲波來刺激特定的基因標記細胞群的想法，並創造了“聲波遺傳學”這個術語。2015年，他的團隊發現，在線蟲體內，一種名為TRP-4的蛋白質使細胞對低頻超聲波敏感。研究人員在不含有TRP-4的線蟲神經元中加入了TRP-4，這些神經元通常不具備這種功能，他們可以透過一組超聲波來啟用這些細胞——這與用於醫學超聲波圖的聲波相同。
小鼠大腦中的神經元（洋紅色）。Chalasani實驗室製造了特異的表達TRPA1（白色）的神經元，可透過超聲啟用。
然而，當研究人員試圖將TRP-4新增到哺乳動物細胞中時，這種蛋白質卻不能使細胞對超聲波產生反應。據報道，有少數哺乳動物蛋白對超聲敏感，但沒有一種似乎是臨床使用的理想蛋白。因此，Chalasani和他的同事們開始尋找一種新的哺乳動物蛋白，這種蛋白可以使細胞在7MHz的頻率下對超聲波高度敏感，7MHz被認為是最佳且安全的頻率。
“我們的方法不同於以往的篩查，因為我們開始以全面的方式尋找超聲波敏感通道，”索爾克大學的前專案科學家、新論文的第一作者之一Yusuf Tufail說。
研究人員將數百種不同的蛋白質一次新增到一種普通的人類研究細胞株（HEK）中，這種細胞株通常對超聲波沒有反應。然後，他們把每個細胞培養物放在一個裝置下，用來監測細胞在超聲波刺激下的變化。
經過一年多，篩選了近300個候選蛋白以後，科學家們終於找到了一種能使HEK細胞對7MHz超聲頻率敏感的蛋白。TRPA1是一種通道蛋白，已知它能讓細胞對有毒化合物的存在做出反應，並激活人體的一系列細胞，包括大腦和心臟細胞。
但Chalasani的團隊發現，在HEK細胞中，該通道也會在超聲波的作用下開啟。
“我們真的很驚訝，”論文的第一作者之一馬克·杜克（Marc Duque）說，他是索爾克大學的一名交換學生。“TRPA1在文獻中已經得到了充分的研究，但還沒有被描述為一種經典的機械敏感蛋白，你可以期望它對超聲波有反應。”
為了測試該通道是否能在超聲波的作用下啟用其他型別的細胞，該團隊使用了一種基因治療方法，將人類TRPA1的基因新增到活老鼠大腦中的一組特定神經元中。當他們給小鼠使用超聲波時，只有帶有TRPA1基因的神經元被啟用。
治療帕金森氏症和癲癇等疾病的臨床醫生目前使用腦深部刺激，即透過外科手術在大腦中植入電極來啟用某些神經元子集。Chalasani說，超聲遺傳學有一天會取代這一方法——下一步將是開發一種能夠穿過血腦屏障的基因治療傳遞方法，這種方法已經在研究中了。
他說，也許在不久的將來，超聲波遺傳學可以被用來啟用心臟細胞，作為一種無需植入的起搏器。“基因傳遞技術已經存在，可以將一種新基因——比如TRPA1——植入人類心臟，”Chalasani說。“如果我們可以使用外部超聲波裝置來啟用這些細胞，那將會給心臟起搏器帶來革命性的變化。”
目前，他的團隊正在對TRPA1如何感知超聲波進行更基礎的研究。“為了使這一發現對未來的研究和臨床應用更有用，我們希望確切地確定TRPA1的哪些部分有助於其超聲靈敏度，並調整它們以提高這種靈敏度，”論文的第一作者之一、索爾克大學的前博士後研究員Corinne Lee-Kubli說。
他們還計劃進行另一項對超聲波敏感蛋白的檢測——這次是尋找能夠抑制或關閉細胞對超聲波反應的活性的蛋白質。
資訊源於：Salk Institute for Biological Studies
