Neuroni (magenta) nel cervello di topo. Il laboratorio di Chalasani ha indotto neuroni specifici ad esprimere TRPA1 (bianco), per poter essere attivati dagli ultrasuoni. (Fonte: SALK)

Gli scienziati dell'Istituto Salk in California hanno progettato cellule di mammifero perché si attivassero per mezzo di ultrasuoni. Il metodo, che il team ha usato per attivare cellule umane in un piatto e cellule cerebrali in topi viventi, apre la strada a versioni non invasive della stimolazione cerebrale profonda, dei pacemaker e delle pompe per insulina. I risultati sono stati pubblicati su Nature Communications il 9 febbraio 2022.

"Il senza-fili è il futuro per quasi tutto", afferma l'autore senior Sreekanth Chalasani, professore associato nel laboratorio di neurobiologia molecolare del Salk. "Sappiamo già che l'ultrasuono è sicuro, e che può passare attraverso ossa, muscoli e altri tessuti, rendendolo lo strumento definitivo per manipolare le cellule profonde nel corpo".

Circa un decennio fa, Chalasani è stato pioniere dell'idea di usare onde ultrasoniche per stimolare gruppi specifici di cellule contrassegnate geneticamente e ha coniato il termine 'sonogenetica' per descriverla. Nel 2015, il suo gruppo ha dimostrato nel nematode Caenorhabditis elegans, che la proteina TRP-4 rende le celle sensibili agli ultrasuoni a bassa frequenza. Quando i ricercatori hanno aggiunto TRP-4 a neuroni del C.Elegans, che di norma non hanno, sono riusciti ad attivare queste cellule con una raffica di ultrasuoni, le stesse onde sonore usate nei sonografi medici.

Quando i ricercatori hanno provato ad aggiungere TRP-4 alle cellule dei mammiferi, tuttavia, la proteina non è stata in grado di far rispondere le cellule agli ultrasuoni. Solo poche proteine ​​dei mammiferi hanno dimostrato di essere sensibili agli ultrasuoni, ma nessuna sembrava ideale per un uso clinico. Così Chalasani e i suoi colleghi hanno deciso di cercare una nuova proteina di mammiferi che rendesse le cellule altamente sensibili agli ultrasuoni a 7 MHz, considerata una frequenza ottimale e sicura.

"Il nostro approccio era diverso dagli schermi precedenti perché abbiamo deciso di cercare canali sensibili agli ultrasuoni in un modo completo", afferma Yusuf Tuvail, ex scienziato del progetto al Salk e primo coautore del nuovo studio.

I ricercatori hanno aggiunto centinaia di proteine diverse, una alla volta, a una linea cellulare comune della ricerca umana (HEK), che di solito non risponde agli ultrasuoni. Quindi, hanno sistemato ciascuna cultura cellulare in modo da riuscire a monitorare le modifiche alle cellule su stimolazione ad ultrasuoni.

Dopo aver selezionato proteine ​​per più di un anno, e aver verificato quasi 300 candidati, gli scienziati ne hanno finalmente trovata una che ha reso le cellule HEK sensibili alla frequenza di ultrasuoni da 7 MHz. La TRPA1, una proteina di canale, era nota per far rispondere le cellule alla presenza di composti nocivi e per attivare una gamma di cellule nel corpo umano, comprese le cellule del cervello e del cuore.

Ma la squadra di Chalasani ha scoperto che il canale si apriva anche in risposta a ultrasuoni nelle cellule HEK.

"Siamo rimasti davvero sorpresi", afferma il primo coautore Marc Duque, studente di scambio del Salk. "La TRPA1 è stata ben studiata nella letteratura, ma nessuno l'aveva descritta come una proteina meccano-sensibile classica che ti aspetti che risponda agli ultrasuoni".

Per verificare se il canale poteva attivare altri tipi di cellule in risposta agli ultrasuoni, il team ha usato un approccio di terapia genica per aggiungere i geni della TRPA1 umana a uno specifico gruppo di neuroni nel cervello di topi viventi. Quando hanno poi inviato ultrasuoni ai topi, si sono attivati ​​solo i neuroni con i geni della TRPA1.

I medici che trattano condizioni come il Parkinson e l'epilessia usano attualmente la stimolazione cerebrale profonda, che comporta l'impianto chirurgico di elettrodi nel cervello, per attivare determinati sottoinsiemi di neuroni. Chalasani afferma che la sonogenetica potrebbe un giorno sostituire questo approccio: il passo successivo sarà sviluppare un metodo di consegna della terapia genica che possa attraversare la barriera emato-encefalica, una cosa già studiata.

Forse presto, dice, la sonogenetica potrebbe essere usata per attivare le cellule nel cuore, come un tipo di pacemaker che non richiede alcun impianto.

"Esistono già tecniche per portare un nuovo gene, come il TRPA1, nel cuore umano", afferma Chalasani. "Se potessimo poi usare un dispositivo ad ultrasuoni esterno per attivare quelle cellule, ciò potrebbe davvero rivoluzionare i pacemaker".

Per ora, il suo team sta effettuando altro lavoro di base per capire come la TRPA1 rileva gli ultrasuoni:

"Per rendere più utile questa scoperta per la ricerca futura e le applicazioni cliniche, speriamo di determinare esattamente quali parti della TRPA1 contribuiscono alla sua sensibilità agli ultrasuoni, e modificarle per migliorare questa sensibilità", afferma Corinne Lee-Kubli, altra prima coautrice della ricerca ed ex postdottorato del Salk.

Stanno anche facendo piani per eseguire un'altra selezione di proteine ​​sensibili agli ultrasuoni, cercando questa volta proteine ​​che possono inibire, o spegnere, l'attività di una cellula in risposta agli ultrasuoni.