这是“声波遗传学”的第一次，研究人员用声音控制哺乳动物细胞

索尔克的科学家利用超声波激活了哺乳动物细胞。该团队用这种方法激活了培养皿中的人类细胞和活老鼠体内的脑细胞，为非侵入性的深度脑刺激、起搏器和胰岛素泵铺平了道路。研究结果发表在自然通讯2022年2月9日。

索尔克分子神经生物学实验室副教授、资深作者Sreekanth Chalasani说:“无线是几乎所有事情的未来。”“我们已经知道了超声波安全吗?它能穿透骨头、肌肉和其他组织，成为终极操纵工具细胞在身体深处。”

大约十年前，Chalasani率先提出了用超声波刺激特定的基因标记细胞群的想法，并创造了“超声遗传学”一词来描述它。2015年，他的团队证明，在蛔虫中秀丽隐杆线虫,一个蛋白质TRP-4使细胞对低频超声波敏感。当研究人员将TRP-4加入秀丽隐杆线虫通常没有这种能力的神经元，可以用超声波来激活这些细胞——与医学超声图中使用的声波相同。

当研究人员试图将TRP-4添加到哺乳动物细胞然而，这种蛋白质不能使细胞对超声波做出反应。据报道，一些哺乳动物蛋白质对超声波敏感，但似乎没有一种是理想的临床使用。因此，Chalasani和他的同事们开始寻找一种新的哺乳动物蛋白质，使细胞对7 MHz的超声波高度敏感，这被认为是最佳和安全的频率。

“我们的方法与以前的筛选不同，因为我们开始以全面的方式寻找超声波敏感通道，”索尔克的前项目科学家、新论文的共同第一作者Yusuf Tufail说。

研究人员向一种常见的人类研究细胞系(HEK)添加了数百种不同的蛋白质，一次添加一种，这种细胞系通常对超声波没有反应。然后，他们将每个细胞培养置于一个装置下，让他们监测细胞在超声刺激下的变化。

经过一年多的筛选，科学家们在近300种候选蛋白质中进行了研究，最终发现了一种使HEK细胞对7 MHz超声波频率敏感的蛋白质。TRPA1是一种通道蛋白，已知它能让细胞对有害化合物的存在做出反应，并激活人体内的一系列细胞，包括大脑和心脏细胞。

但Chalasani的团队发现，HEK细胞中的通道也会对超声波做出反应。

“我们真的很惊讶，”论文的共同第一作者马克·杜克说，他是索尔克大学的交换生。“TRPA1在文献中得到了充分的研究，但还没有被描述为一种经典的机械敏感蛋白，你会期望它对超声波有反应。”

为了测试该通道是否可以激活其他类型的细胞来响应超声波，研究小组使用基因治疗方法将人类TRPA1基因添加到活小鼠大脑中的特定神经元组中。当他们对小鼠进行超声波处理时，只有带有TRPA1基因的神经元被激活。

目前，临床医生在治疗帕金森氏症和癫痫等疾病时使用深部脑刺激，即通过手术在大脑中植入电极，来激活某些神经元亚群。Chalasani说，声波遗传学有一天可能会取代这种方法——下一步将是开发一种可以穿过血脑屏障的基因治疗递送方法，这已经在研究中了。

他说，也许很快，声波遗传学就可以作为一种不需要植入的起搏器，被用于激活心脏细胞。Chalasani说:“基因传递技术已经存在，可以将新基因(如trpa1)送入人类心脏。”“如果我们可以使用外部超声波设备来激活这些细胞，这将真正改变心脏起搏器。”

目前，他的团队正在进行更多关于TRPA1是如何感知超声波的基础工作。“为了使这一发现对未来的研究和临床应用更有用，我们希望确切地确定TRPA1的哪些部分有助于其超声敏感性，并调整它们以增强这种敏感性，”该论文的共同第一作者、索尔克的前博士后Corinne Lee-Kubli说。

他们还计划进行另一项超声波敏感蛋白的筛选——这一次是寻找能够抑制或关闭细胞对超声波反应的活性的蛋白质。

这篇论文的其他作者是来自索尔克的Uri Magaram、Janki Patel、Ahana Chakraborty、Jose Mendoza Lopez、Eric Edsinger、Rani Shiao和Connor Weiss;以及加州大学圣地亚哥分校的Aditya Vasan和James Friend。