Ультразвук погрузил мышей и крыс в кратковременную спячку

Мышей ввели в состояние, похожее на кратковременную спячку — торпор (оцепенение), — с помощью ультразвуковой стимуляции нейронов в преоптической области гипоталамуса. У животных достоверно снизилась температура тела и метаболическая активность из-за того, что нижележащий дорсомедиальный гипоталамус тормозил образование тепла в бурой жировой ткани. Как сообщается в журнале Nature Metabolism, такой эффект ультразвука реализуется через чувствительный к ультразвуку ионный канал TRPM2, расположенный на нейронах гипоталамуса.

Во время торпора, или более длительной гибернации, некоторые млекопитающие активно подавляют обмен веществ, снижают температуру тела и замедляют другие процессы, чтобы сберечь энергию и пережить сложные (иногда смертельные) условия, в том числе и низкие температуры окружающей среды. Хотя изначально концепция искусственной гибернации у людей появилась из-за потребности снижения потребления энергии у космонавтов во время длительных полетов в космос, сейчас ее рассматривают как перспективный метод лечения при некоторых заболеваниях, например, инфаркте миокарда или инсульте. Снижение температуры тела и интенсивности метаболизма могло бы повысить шанс благоприятных исходов за счет торможения патогенетических процессов. Подробнее о проблемах погружения человека в искусственную гибернацию можно прочитать в нашем материале «Вечером мы погрузимся в спячку».

В последние годы появилась информация о том, что несколько популяций нейронов в преорбитальной зоне гипоталамуса могут быть ответственны за оцепенение и гибернацию у грызунов. Оптогенетические эксперименты на мышах показали, что стимуляция этой зоны провоцирует развитие оцепенения. Однако безопасные и неинвазивные методы введения в состояние, близкое к торпору, оставались предметом научной фантастики несмотря на несколько десятилетий исследований. Хонг Чен (Hong Chen) с коллегами из Университета Вашингтона в Сент-Луисе приблизилась к созданию такого безопасного метода и даже опробовала его на мышах.

Ученые разработали миниатюрный носимый ультразвуковой преобразователь, который генерирует ультразвук с частотой 3,2 мегагерца и пиковым акустическим давлением 1,6 мегапаскаль. Таким ультразвуком воздействовали шесть раз по десять секунд с перерыв в 30 секунд на преорбитальную зону гипоталамуса свободно перемещающихся мышей, которые имели неограниченный доступ к воде и пище. Во время и после стимуляции ученые зафиксировали значительное снижение температуры кожи в межлопаточной области, где находится бурая жировая ткань, и нагревание хвоста (грызуны регулируют теплообмен с помощью термогенеза в буровой ткани и отвода тепла из-за расширения сосудов хвоста).

Кроме того, мышам установили беспроводные термометры в брюшной полости. Оказалось что ультразвуковая стимуляция преорбитальной зоны гипоталамуса привела к значимому снижению внутренней температуры тела — в среднем на 3,26 градуса Цельсия. Также ультразвуковая стимуляция коррелировала со снижением двигательной активности мышей и активностью метаболизма, который измеряли в метаболических камерах. Ученые подсчитали, что мыши после стимуляции переключили катаболизм со смеси углеводов и жиров исключительно на окисление жиров, что типично для животных в спячке.

Электрокардиография показала значимое снижение частоты сердечных сокращений — на 47,3 процента по сравнению с состоянием до стимуляции. Иммуногистохимическое исследование мозга мышей после стимуляции не выявило каких-либо видимых повреждений или признаков воспаления. Все эксперименты проводились при комнатной температуре (~ 22 градуса Цельсия). Повторные эксперименты при температурах шесть градусов Цельсия и 30 градусов Цельсия показали, что температура тела мышей и активность их метаболизма снижалась эффективнее при внешнем холоде.

Затем ученые исследовали способность такого подхода точно контролировать глубину и продолжительность снижения температуры. Оказалось, что контроля можно достичь с помощью изменения акустического давления и продолжительности стимула. Благодаря этому ученые разработали систему, которая контролировала температуру тела в течение суток.

Она включала преобразователь, когда внутренняя температура тела была выше установленной отметки, и выключала, когда внутренняя температура была ниже. Таким образом исследователи в течении 24 часов смогли поддерживать оптимальную для оцепенения температуру ниже 34 градусов Цельсия у мышей (в среднем 32,95 градуса Цельсия). Мыши стали меньше есть и потеряли вес. Температура тела полностью восстановилась через в среднем 54,18 минуты после прекращения стимуляции.

С помощью оптогенетических методов ученые выяснили, что в ответ на ультразвуковую стимуляцию нейроны преорбитальной зоны гипоталамуса последовательно и устойчиво активировались, что отслеживалось по транспорту кальция. Чтобы понять, как именно ультразвук воздействует на нейроны ученые выполнили одноядерное РНК-секвенирование (snRNA-seq) клеток. Среди семи популяций нейронов, ассоциированных с оцепенением, исследователи идентифицировали популяцию, которая характеризовалась высокой экспрессией пяти маркеров активации нейронов, включая Fos, Fosb, Nr4a1, Egr1 и Dusp1, которые известны как гены первичного ответа, что натолкнуло ученых на мысль о том, что именно эти нейроны могут непосредственно реагировать на ультразвук.

Поскольку общепринятой гипотезой ультразвуковой нейромодуляции является активация эндогенных ионных каналов, чувствительных к ультразвуку из семейств PIEZO и TRP, ученые оценили все потенциальные гены, которые экспрессируют эти каналы. Оказалось, что под воздействием ультразвука самый высокий уровень экспрессии показывал ген канала TRPM2. Также ультразвук успешно индуцировал приток кальция в клетках, в которых экспрессия TRPM2 была очень высокой.

Кроме того, выяснилось, что снижение термогенеза у мышей при ультразвуковой стимуляции происходит с помощью нисходящих путей от преорбитальной зоны гипоталамуса к дорсомедиальной его части, как предполагают ученые, связь этой части гипоталамуса с симпатической нервной системой позволяет регулировать термогенез в бурой жировой ткани.

Ученые проверили эффект ультразвуковой стимуляции на животных, которые не склонны впадать в оцепенение — на крысах. Хотя степень снижения температуры тела у них была меньше, чем у мышей, она все равно оказалась статистически значимой.

В этом исследовании ученым впервые удалось вызывать у мышей состояние, похожее на оцепенение, неинвазивно — с помощью ультразвука. Снижение температуры тела и активности метаболизма происходило за счет активации ионного канала TRPM2 в нейронах преорбитальной зоны гипоталамуса. Нижележащие отделы гипоталамуса, связанные с симпатической нервной системой, эффективно снижали температуру тела через торможение образования тепла в бурой жировой ткани. В дальнейшем ученые планируют продолжить исследования ультразвуковой стимуляции для достижения состояния торпора на людях.

Уже сейчас ультразвуком пытаются лечить некоторые тяжелые заболевания. Например, с его помощью повышают проницаемость гематоэнцефалического барьера, чтобы через него прошел вирусный вектор, и даже разрушают структуры мозга. Обе методики пытаются применять для лечения болезни Паркинсона.