Человеческий рецептор боли позволил неинвазивно активировать нейроны мыши ультразвуком
Американские исследователи показали, что человеческий рецептор боли и ирритантов TRPA1 можно активировать ультразвуком. Используя это свойство, ученые встроили TRPA1 в моторную кору мыши и при помощи неинвазивного излучения заставили ее дергать лапой. Исследование опубликовано в Nature Communications.
Уже довольно давно нейробиологи выяснили, что нейроны млекопитающих можно активировать при помощи ультразвука в определенном диапазоне частот, и этот факт даже пробовали использовать для лечения хронических болей у людей. Мы также рассказывали, как ультразвуковая стимуляция мозга обезьян повлияла на их решения. Тем не менее, механизм активации ультразвуком оставался неизвестным. Ученые предполагали, что это связано с активацией механорецепторов звуковым пучком. Действительно, несколько известных механорецепторов при сверхэкспрессии в модельных клетках под действием ультразвука достаточно высокой частоты (10 мегагерц) начинали проводить ток.
Американские биологи из Института Солка и Университета Калифорнии в Сан-Диего обнаружили, что ультразвук эффективно активирует хорошо изученный человеческий рецептор TRPA1, что приводит к возникновению разности потенциалов на клеточной мембране. Экспрессия этого ионного канала в нейронах позволила направленно включать их ультразвуком — как in vitro в чашке Петри, так и in vivo в мышином мозге.
Белок TRPA1 это ионный канал, который под действием ряда факторов открывается и начинает пропускать ионы кальция, что приводит к возбуждению нейрона. Он известен также как «рецептор васаби» из-за того, что его индуцирует аллил изотиоцианат — активный компонент хрена и горчицы. Кроме разнообразных едких веществ канал открывается под действием холода и является компонентом системы ноцицепции, то есть восприятия боли.
Ученые обнаружили способность активировать TRPA1 ультразвуком в процессе масштабного скрининга, по ходу которого проверили на клетках почти 200 разных ионных каналов. Оказалось, что именно человеческий TRPA1 лучше всего отвечает на ультразвук требуемого диапазона (стабильно вызывает внутриклеточный ток кальция), и подходит для искусственной активации нейронов млекопитающих. Анализируя причины индукции TRPA1 ультразвуком, авторы работы обнаружили, что она происходит независимо от индукции химическими веществами, и, по-видимому, завязана на цитоскелет, то есть действительно скорее механической природы.
После проверки на изолированных нейронах, ученые перешли к экспериментам на мышах. Группе животных в мозг ввели адено-ассоциированный вирус с геном TRPA1, чтобы экспрессировать канал в определенном слое моторной коры, контролирующей конечности (известно, что в мозге TRPA1 в норме не работает). Через пару недель был проведен эксперимент по индукции — мышам неинвазивно прикладывали к черепу передатчик и направленным пучком ультразвука с частотой 7 мегагерц в течение 100 миллисекунд индуцировали канал. В этот момент у животного подергивалась конечность, что означало успешную активацию участка коры.
После эксперимента авторы работы проверили у животных отсутствие утечки белков из крови в мозг, таким образом подтвердив, что гематоэнцефалический барьер не был нарушен в процессе. На поведение мышей ультразвук так же не повлиял. По результатам проверок ученые сделали вывод, что стимуляция ультразвуком является удобным и безопасным неинвазивным методом. По аналогии с оптогенетикой такой метод активации модифицированных нейронов назвали соногенетикой, при этом для него не нужно вставлять в мозг оптоволокно.
Недавно для тех же целей исследователи
применить другой ионный канал — термочувствительный TRPV1, однако в упомянутом эксперименте ультразвук вызывал разогревание ткани и опосредованную активацию канала, поэтому метод назвали сонотермогенетикой.
Дарья Спасская
Ее произвели макрофаги в верхнем шейном нервном узле
Немецкие и американские исследователи пришли к выводу, что расстройства сна при хронических заболеваниях сердца связаны с нарушением симпатической иннервации шишковидного тела, вырабатывающей мелатонин, связанными с сердцем провоспалительными иммунными клетками. Публикация об этом появилась в журнале Science. У людей и других млекопитающих смену периодов сна и бодрствования контролирует секреция мелатонина, синхронизированная с 24-часовым циклом смены дня и ночи на Земле. Этот гормон вырабатывает шишковидное тело (эпифиз), расположенное в надталамической области головного мозга, в ответ на уровень симпатической иннервации из верхнего шейного узла. Помимо эпифиза и некоторых других органов этот узел иннервирует и сердце. Известно, что при хронических сердечных заболеваниях зачастую снижается уровень мелатонина и возникают сопутствующие нарушения сна, которые негативно сказываются на течении болезни и качестве жизни пациента. Механизмы этого явления изучены не были, при этом они могли бы дать почву для разработки новых методов лечения. Чтобы разобраться в этом вопросе, сотрудники различных научных центров Германии и США под руководством Штефана Энгельхардта (Stefan Engelhardt) из Мюнхенского технологического института изучили посмертные препараты эпифизов семи человек с кардиологическими заболеваниями и девяти без них. Оказалось, что при болезнях сердца значительно снижена плотность аксонов (то есть иннервация) в этой железе. Выяснив это, авторы работы перешли к экспериментам на мышах с двумя искусственно вызванными заболеваниями сердца: перегрузкой левого желудочка давлением путем хирургического сужения аорты и сердечной недостаточностью с сохранной фракцией выброса. Уровень мелатонина у таких животных был снижен, что сопровождалось нарушениями циркадианных ритмов. Генетическая маркировка помогла выявить у них резкое снижение симпатической иннервации эпифиза без нарушения его внутренней структуры и анатомического окружения. Морфометрическое и гистологическое исследование верхнего шейного узла продемонстрировало его значительную гипертрофию с замещением фиброзной соединительной тканью, что свидетельствует о тяжелом, возможно необратимом повреждении органа. Аналогичные изменения исследователи увидели на посмертных препаратах верхних шейных узлов кардиологических пациентов — рубцовая ткань замещала до 70 процентов их объема. При этом степень поражения узла значительно коррелировала со степенью ремоделирования миокарда в результате заболевания. Это подтвердили у живых пациентов с помощью УЗИ, а также обнаружили у них связь размеров верхнего шейного узла с фракцией выброса (функциональным показателем сердечной деятельности). После этого авторы работы выполнили секвенирование РНК одиночных клеток и ядер верхнего шейного узла мышей с кардиологическими заболеваниями, а также иммуногистохимическое окрашивание разных пулов его клеток и нервных связей с эпифизом. Выяснилось, что симпатическая иннервация железы значительно снижалась еще до декомпенсации сердечной недостаточности, и что при этом узел инфильтрирован провоспалительными макрофагами. В нервных узлах, не иннервирующих сердце, подобной инфильтрации не наблюдалось, уровни биомаркеров общего воспаления повышены не были, что свидетельствует о связи этих макрофагов именно с заболеванием сердца. Схожую картину удалось пронаблюдать и в посмертных образцах кардиологических пациентов. Транскриптомное профилирование межклеточных взаимодействий в верхнем шейном узле мышей на ранних стадиях болезни сердца показало, что сильнее всего нарушены связи между макрофагами и симпатическими нейронами, иннервирующими шишковидное тело. Еженедельные инъекции ингибитора макрофагов клодроната в этот узел сразу после операции по сужению аорты предотвращали денервацию железы и снижение уровня мелатонина. Эксперименты по совместному выращиванию клеток на питательной среде, подтвердили, что центральную роль в гибели симпатических нейронов играют активированные провоспалительные макрофаги. В 2020 году французские ученые обнаружили, что если люди засыпают позже привычного времени, то во время сна и на следующий день пульс у них значительно превышает норму. То же происходит и при засыпании на более чем полчаса раньше обычного, однако пульс при этом возвращается к норме уже через несколько часов сна. Годом позже британские исследователи показали, что с наименьшим риском сердечно-сосудистых заболеваний связан отход ко сну между 22 и 23 часами.
