Controlar las neuronas con ultrasonidos: Preguntas y respuestas con Sreekanth Chalasani

POR NIKO MCCARTY

Fuente: Spectrum | 01/03/2022

Fotografía: Autism Spectrum

La optogenética -el potente método que utilizan algunos investigadores del autismo para controlar las neuronas de ratones y otros animales

El término "opto" de la optogenética -el potente método que utilizan algunos investigadores del autismo para controlar las neuronas de ratones y otros animales- viene del griego optós, que significa visible. Es un guiño a la luz azul que se utiliza para encender determinadas neuronas.

Una nueva técnica puede hacer lo mismo, aunque con algo invisible: el sonido.

En un estudio publicado este mes en Nature Communications, los investigadores modificaron las neuronas del córtex motor de los ratones para que expresaran una proteína de canal iónico sensible a los ultrasonidos llamada hsTRPA1. Colocaron un transductor de ultrasonidos cerca del cráneo del animal y lo encendieron. ¿La respuesta? Una flexión de un músculo, una contracción perceptible.

El método, denominado sonogenética, permite controlar de forma no invasiva cualquier circuito neuronal que pueda manipularse con optogenética, un método invasivo, afirma el investigador principal, Sreekanth Chalasani, profesor asociado del Laboratorio de Neurobiología Molecular del Instituto Salk de Estudios Biológicos de La Jolla (California). Spectrum habló con Chalasani sobre sus primeros experimentos con Caenorhabditis elegans, el número de la suerte 63 y cómo la sonogenética podría tener algún día aplicaciones clínicas.

Esta entrevista ha sido ligeramente editada para mejorar su longitud y claridad.

Spectrum: Nuestros lectores pueden estar familiarizados con la optogenética, pero supongo que la sonogenética es nueva para la mayoría de la gente.

Sreekanth Chalasani: Sí. Bueno, la idea de la sonogenética es que queremos manipular cosas de forma no invasiva. Los ultrasonidos pueden viajar a través de los huesos y la piel, dentro del cuerpo. Lo hemos estado utilizando durante décadas. Es seguro. La cuestión es: ¿podemos aprovecharlo para entrar en el cuerpo y controlar las células, como con la optogenética?

S: Controlar literalmente las células con el sonido.

SC: Sí. En la optogenética, la luz desencadena potenciales de acción en las células que tienen una proteína canalrodopsina u opsina. En la sonogenética, queríamos una proteína que nos permitiera tener ese mismo nivel de control celular.

Pero encontrar esa proteína ha sido difícil. Muchos grupos han buscado estas proteínas, y nosotros tuvimos la suerte de encontrar una.

S: Y la proteína se llama hsTRPA1.

SC: Sí. Esta proteína ha sido estudiada anteriormente, pero no se pensaba que fuera sensible a las deformaciones mecánicas o a los ultrasonidos. Ese fue nuestro gran hallazgo. Podemos introducir esta proteína en el cerebro de un ratón y utilizar los ultrasonidos para controlar el movimiento y la fisiología.

S: ¿Cómo funciona esto a nivel celular? ¿Los ultrasonidos remodelan ligeramente la membrana de una célula y eso hace que este canal mecanosensible se abra y deje entrar el calcio?

SC: Es un poco más complejo que eso. Tenemos otro artículo, en Advanced Science, que muestra que los ultrasonidos hacen que las membranas celulares se desplacen unos 80 nanómetros. Lo que creemos que ocurre es que los ultrasonidos provocan un cambio en la distancia entre las dos bicapas lipídicas. Y las proteínas que pueden percibir ese cambio son candidatas a sonogénicas. hsTRPA1 es una de estas proteínas.

S: ¿Es la primera proteína sonogenética que se encuentra?

SC: No, pero nuestro grupo también publicó la primera proteína. Se llama TRP4, y la utilizamos para controlar las neuronas en C. elegans hace unos años, en 2015. Desde entonces, otros laboratorios también han encontrado proteínas que podrían funcionar para la sonogénesis.

S: ¿Y qué hay de nuevo en este trabajo?

SC: Fuimos los primeros en demostrar que si se introduce nuestro canal en una neurona y se hace un patch clamp en esa neurona [se mide su corriente eléctrica], y luego se administra el ultrasonido, se obtiene un potencial de acción en unos pocos milisegundos. Demostramos que se puede controlar directamente una célula con ultrasonidos.

S: Ah, vale. Pero no fue fácil encontrar esta proteína, ¿verdad? Usted examinó 191 candidatos antes de encontrar la hsTRPA1.

SC: Así es. Más o menos cuando demostramos que TRP4 podía utilizarse para controlar las neuronas de C. elegans, el presidente Obama anunció la Iniciativa BRAIN, un gran esfuerzo de los Institutos Nacionales de la Salud (NIH), en el que se pedía una nueva tecnología que pudiera utilizarse algún día en las personas.

Quieren una tecnología no invasiva, segura y que pueda controlar diferentes circuitos celulares. Normalmente, los NIH habrían dicho: "Shrek, no tienes experiencia con ratones. La última vez que trabajaste con ratones fue durante tu doctorado, y acabas de publicar un artículo sobre C. elegans. No te vamos a dar dinero para que lo pruebes en un ratón".

Neuronas diseñadas para expresar hsTRPA1, un canal iónico mecanosensible

Sonidos celulares: Las neuronas están diseñadas para expresar hsTRPA1, un canal iónico mecanosensible./ Cortesía de Sreekanth Chalasani

S: Supongo que os dieron el dinero de todos modos.

SC: Sí, nos dieron aproximadamente 2 millones de dólares. Cogimos ese dinero y probamos si el TRP4 funcionaría en las neuronas de los ratones. Y ese experimento no funcionó. Después de tres meses de intentos, descubrimos que la proteína de C. elegans simplemente no se expresa en las células de mamíferos. Se queda atascada en el retículo endoplásmico. Teníamos ese dinero, pero la vía que habíamos propuesto a los NIH había desaparecido.

Fue entonces cuando decidimos crear una biblioteca de proteínas, basándonos en un estudio bioinformático. Sintetizamos el ADN de cada proteína y las expresamos individualmente en células renales, en fibroblastos. A continuación, colocamos indicadores de calcio en esos fibroblastos y observamos qué proteínas presentaban un pico de calcio cuando les administrábamos ultrasonidos.

La 63ª proteína que probamos funcionó.

S: Recuerda el número exacto.

SC: Sí, era el clon 63. Lo recuerdo porque fue un proceso bastante doloroso. Estábamos probando una proteína a la vez. Pero incluso después de encontrar la hsTRPA1, tuvimos que probar si funcionaba en las neuronas -lo hizo- y luego pasamos a ratones vivos.

Este trabajo es la primera vez que alguien demuestra que se puede coger este canal, meterlo en el cerebro de un ratón y controlar que éste mueva sus extremidades. Podemos mover sus músculos con ultrasonidos.

S: Explíqueme ese experimento.

SC: El estándar de oro, en ratones, es controlar los potenciales de acción y ver un comportamiento. Elegimos poner hsTRPA1 en las neuronas de la corteza motora, una parte del cerebro que controla los movimientos de las extremidades. Es fácil llevar proteínas a la corteza motora; hay buenos virus para ello. Y cuando se estimulan las neuronas de esta región del cerebro, las extremidades se mueven.

Cuando administramos ultrasonidos a estos ratones, en cinco milisegundos vimos actividad en los músculos. Así que cinco milisegundos fue el tiempo que tardó la neurona en activarse y decirle al músculo: "¡Arriba!" y que éste se moviera.

S: ¿Con qué precisión puede dirigirse a las neuronas del cerebro?

SC: Las frecuencias bajas pueden penetrar más profundamente en el cráneo, porque suministran más energía, pero golpean un volumen cerebral mayor. Las frecuencias más altas son lo contrario.

Con 7 megahercios de ultrasonidos, podemos alcanzar un cubo de 100 micras en el cerebro. Es una región razonablemente pequeña. Pero creo que el premio de la sonogenética reside en su carácter no invasivo.

S: ¿A qué se refiere?

SC: Bueno, mire a Medtronic. Tienen un ensayo clínico en marcha en el que intentan utilizar la optogenética para tratar la enfermedad de Parkinson.

Toman un mono y diseñan sus neuronas subtalámicas para que expresen una proteína opsina. Y luego pegan un LED en el cerebro, y pueden controlar las neuronas desde fuera del cuerpo. El problema es que se cicatriza el tejido cerebral. Puedes causar coágulos de sangre y puedes matar el tejido cada vez que metes una fibra óptica en el cerebro.

El mero hecho de iluminar el cerebro con luz azul cambia la expresión genética de las células, lo que significa que la optogenética está cambiando el cerebro de una forma que no comprendemos del todo.

Los ultrasonidos, a bajas presiones, son totalmente seguros. No vemos cambios en la expresión génica en las regiones del cerebro que hemos analizado. La Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos dice que los ultrasonidos son seguros para las personas; no han dicho que sea seguro introducir una fibra óptica en el cerebro.

S: ¿Cree que la seguridad acelerará la adopción de esta tecnología en sentido clínico?

SC: Esa es la cuestión. Hasta ahora, sólo hemos encontrado canales que pueden encender las neuronas. Pero tenemos un canal candidato, que esperamos probar pronto en animales, que puede apagar una neurona. Es una proteína que encontramos en una célula vegetal.

El verdadero reto, creo, tanto para la sonogenética como para la optogenética, es cómo hacer llegar estas proteínas a la parte del cerebro que nos interesa. ¿Y cómo hacerlo en un niño o en un humano? No tenemos una respuesta para eso.

Cite este artículo: https://doi.org/10.53053/KFXZ8320

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