聲遺傳學重要突破：首次用聲音激活哺乳動物細胞

光遺傳學的誕生與發展已經為神經科學帶來了重大變革，現在，索爾克生物學研究所的科學家正試圖開發出另一項革命性的研究工具：利用聲音操控細胞的“聲遺傳學”。

在一篇發表于《自然·通訊》的論文中，研究團隊成功使用超聲波脈沖在體外激活人體細胞，并在活體小鼠中激活了經過基因編輯的神經元。這項突破為實現無創的腦深部刺激奠定了基礎，并且有望在更多醫學場景中發揮作用。

大約10年前，Chalasani教授就開創性地提出了使用超聲波來刺激特定的細胞的想法，聲遺傳學的概念初步成型。2015年，Chalasani教授團隊在一篇《自然·通訊》論文中指出，一個名為TRP-4的蛋白可以使線蟲細胞對低頻超聲波靈敏。當研究團隊將TRP-4添加至線蟲的神經元中，他們就能利用超聲波激活這些細胞。

但當研究團隊嘗試將TRP-4添加至哺乳動物的細胞中，卻發現這個蛋白質失效了，無法對超聲波信號作出響應。因此，研究團隊決定重新開始搜索，他們希望找到對處于安全波段的7兆赫茲超聲波高度靈敏的蛋白質。

在最新研究中，研究團隊依次將近300個候選蛋白質加入人類的HEK細胞系，隨后監測在超聲波刺激之下，培養皿中細胞的變化。

經過超過1年的篩查，研究團隊從近300個候選者中，終于找到了符合要求的蛋白質：離子通道蛋白TRPA1。這種蛋白可以在有害化合物出現時，激活包括神經元、心肌細胞在內的一系列人體細胞。而研究團隊發現，在超聲波刺激之下，這個離子通道同樣可以打開。

▲在7兆赫茲的超聲波脈沖刺激下，TRPA1從候選蛋白質中脫穎而出（圖片來源：參考資料[1]）

隨后，研究團隊需要驗證的是，這一效應能否在其他類型的細胞中出現。他們將編碼人類TRPA1的基因敲入小鼠大腦中的特定神經元。這時施加超聲波刺激，只有攜帶TRPA1相關基因的神經元得到了激活。因此，聲遺傳學操控在哺乳動物細胞中的可行性得到了驗證。

▲表達TRPA1的神經元（白色）能夠被超聲波刺激激活（圖片來源：索爾克生物學研究所）

研究團隊指出，這一技術將在醫學領域展現出廣闊的應用前景。目前，在帕金森病、癲癇等神經疾病的臨床治療中，都會使用腦深部刺激，而這需要通過外科手術向腦部植入電極。

此外，這項技術還有望用于打造無需植入的心臟起搏器。

在這項技術真正能走向應用之前，還有大量工作需完成。接下來，研究團隊將開展更多基礎研究，探索TRPA1對超聲波敏感的機制，并進一步提升其敏感性。聲遺傳學能否在不久的將來掀起另一場革命，我們將共同期待。

參考資料：

[1] Duque, M., Lee-Kubli, C.A., Tufail, Y. et al. Sonogenetic control of mammalian cells using exogenous Transient Receptor Potential A1 channels. Nat Commun (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28205-y

[2] In a first for “sonogenetics,” researchers control mammalian cells with sound. Retrieved Feb 9th, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/942451

（原文有刪減）