چگونه فراصوت می تواند سلول ها را کنترل کند؟ سونوژنتیک و فراصوت بیومولکولی برای انجام تعدادی از کارهای متفاوت در سلول ها مهار شده‌اند. پالس ها می توانند مولکول ها را تکان دهند ، آنها را فعال کرده و سوئیچی مکانیکی را روشن کنند؛ گرما می تواند یک بیوسویچ حرارتی را روشن کند؛ امواج با فرکانس پایین میکرو حباب ها را تکان می دهند ، که مانع خون مغزی را شل می کند تا مولکول های کوچک بتوانند ورود کنند.
محققان می توانند از امواج فراصوت متمرکز شده استفاده کنند تا سلول ها را کنترل کنند با هل دادن سوئیچ های مولکولی حساس به حرکت (بالا) ، با گرم کردن آنهایی که حساس به دما هستند (وسط) ، یا با باعث شدن میکرو حباب ها در خون به باد کردن و متلاشی شدن (پایین) ، که دیواره های اطراف سلول های خونی را می کِشد و اجازه می دهد تا مولکول های کوچک از آن عبور کنند.
اولین نگاه اجمالی اغلب والدین به فرزندانشان از طریق تصاویر سونوگرافی گرفته شده ماه ها قبل از تولد است. اما فراصوت به زودی می تواند چیزهای بیشتری را در مقایسه با پرتره های دوران بارداری ارائه دهد. در چند سال گذشته ، محققان دریچه جدیدی را برای فراصوت باز کرده اند ، و تکنیک هایی را ایجاد می کنند که امواج صوتی آشنا ، ایمن و غیر تهاجمی را برای کنترل ژن ها ، تغییر عملکرد مغز و رساندن دارو به اهداف با دقت میلی متری مهار می کنند.
پیشرفت آنچه سونوژنتیک خوانده می شود ، پیچیدگی جدیدی را درباره یکی از بزرگترین موفقیت های اخیر زیست شناسی ارائه می کند. حدود یک دهه است که زیست شناسان با فعال کردن پروتئین های حساس به نور با نور لیزر قادر به کنترل ژن ها و سلول های عصبی هستند. این روش که به اپتوژنتیک معروف است ، رشته علوم عصبی را دگرگون کرده است و کاربرد آن در بسیاری از شاخه های دیگر زیست شناسی رواج دارد. با نور ، محققان هم اکنون می توانند الگوهای شلیک سلول های عصبی فردی را کنترل کنند ، ژن های تنظیمی مشخصی را در سلول هایی خاص روشن کنند تا ببینند چگونه بر رشد تأثیر می گذارد و کارهای دیگری انجام می دهند. اما اپتوژنتیک با یک نقص مهم روبرو است: نور خیلی زیاد به داخل بافت زنده نفوذ نمی کند ، بنابراین کاربردهای آن عمدتاً محدود به حیوانات ریز و شفاف ، کشت سلولی در ظروف پتری و جایی است که می توان الیاف نوری را با جراحی به بافت های عمیق تر پیوند زد.
در مقابل ، امواج فراصوت در اعماق بافت ها نفوذ می کنند - از این رو از آنها برای تصویربرداری از جنین استفاده می شود. آنها همچنین می توانند تقریباً به همان دقت پرتوهای لیزر متمرکز شوند. در آن تمرکز میلی متری ، پالس های فراصوتی می توانند سلول ها را به آرامی گرم یا به طور فیزیکی آهسته تکان دهند. (پالس های شدیدتر می توانند آن قدر سلول ها را گرم کنند که آنها کشته شوند ، اثری که مدت های طولانی است برای از بین بردن مناطق سرکش مغز برای معالجه اختلالاتی مانند لرزش اساسی ، بیماری‌ای مانند پارکینسون، استفاده می شود.)
هنگامی که محققان سوئیچ های سلولی ایجاد می کنند که به دما یا لرزش حساس هستند ، آنها کنترل فرایندهای سلولی را فراتر از حد اپتوژنتیک به دست می آورند. میخائیل شاپیرو ، مهندس شیمی در انستیتوی فناوری کالیفرنیا در پاسادنا می گوید: "این دارای این پتانسیل است که قابلیت هسته ای اپتوژنتیک را فراهم آورد با این تفاوت که در این حال شما می توانید آن را بطور غیر تهاجمی در بافت های عمیق انجام دهید."
به عنوان مثال ، شاپیرو در حال ایجاد سوئیچ های حساس به دما برای کنترل عملکرد ژن است. اکثر سلول ها به طور طبیعی سوئیچ هایی از این دست دارند ، اما نوعاً آنقدر قوی برای استفاده در تحقیقات نیستند: گرم شدن آرام فعالیت ژن را فقط در حدود ده برابر می کند ، که تشخیص آن در میان تمام فرآیندهای موجود در یک ارگانیسم زنده می تواند دشوار باشد. پالس های فراصوتی می توانند سلول ها را به آرامی گرم یا به طور فیزیکی آهسته تکان دهند. اما تیم شاپیرو دو پروتئین پیدا کرد - یکی از یک باکتری ، دیگری از یک ویروس - که دارای اثر 300 برابری در فعالیت ژن در طی تغییر 3 درجه ای در دما بودند. وی پس از انجام برخی پیچیدن های ژنتیکی ، این پروتئین ها را تنظیم کرد تا در دماهای مختلف از 32 تا 46 درجه سانتیگراد پاسخ دهند. وی می گوید: "در نتیجه ، اکنون ما یک کتابخانه کامل از زیست سنج های حرارتی داریم ، بنابراین می توانید دمای مورد نظر خود را که می خواهید در آن عمل کنند انتخاب کنید."
تاکنون تیم وی از مهندسی ژنتیک برای درج سوئیچ های دمایی در باکتریها استفاده کرده است. محققان دیگر نیز دارند شروع به قرار دادن آنها در سلول های پستانداران می کنند.
سال گذشته گزارشی از کاربرد این تکنیک در سیستم ایمنی درمانی در سرطان ارائه شد که بر طبق آن همچنان دیگران در حال توسعه سویچ های ژنتیکی هستند که بیشتر با لرزش های القا شده توسط فراصوت فعال می شوند تا با گرما دهی. سرانجام از آن همچنین می توان استفاده کرد برای کاوش عملکرد ژن ها با استفاده از گزینه های انتخابی روشن یا خاموش کردن آنها در سلول های خاص تا ببینیم چه اتفاقی می افتد.
محققان همچنین دریافتند که نوع صحیح پالس های فراصوت متمرکز شده می تواند به نوعی سلول های عصبی را به طور مستقیم تحریک یا مهار کند ، حتی بدون سوئیچ های مخصوص مهندسی شده. این اثر به اندازه سوئیچ ها دقیق نیست ، اما می تواند برای برخی از مطالعات کافی باشد.
فراصوت همچنین ممکن است به عنوان ابزاری برای وارد کردن ژن ها در سلول های خاص مغز به نام نورون ها مورد استفاده قرار گیرد. به طور معمول ، سلول ها در مغزهای زنده دست نخورده برای مهندسی ژنتیک دشوار هستند ، زیرا سلول های آستر رگ های خونی در مغز در مقابل یکدیگر مهر و موم شده اند تا از ورود پاتوژن ها و مولکول های بزرگ به مغز جلوگیری کنند. این سد خونی مغزی ویروس هایی را که معمولاً توسط مهندسان ژنتیک برای معرفی ژن های جدید استفاده می شود ، بیرون نگاه می دارد.
منبع: باب هولمز
محققان می توانند از امواج فراصوت متمرکز شده استفاده کنند تا سلول ها را کنترل کنند با هل دادن سوئیچ های مولکولی حساس به حرکت (بالا) ، با گرم کردن آنهایی که حساس به دما هستند (وسط) ، یا با باعث شدن میکرو حباب ها در خون به باد کردن و متلاشی شدن (پایین) ، که دیواره های اطراف سلول های خونی را می کِشد و اجازه می دهد تا مولکول های کوچک از آن عبور کنند.
اولین نگاه اجمالی اغلب والدین به فرزندانشان از طریق تصاویر سونوگرافی گرفته شده ماه ها قبل از تولد است. اما فراصوت به زودی می تواند چیزهای بیشتری را در مقایسه با پرتره های دوران بارداری ارائه دهد. در چند سال گذشته ، محققان دریچه جدیدی را برای فراصوت باز کرده اند ، و تکنیک هایی را ایجاد می کنند که امواج صوتی آشنا ، ایمن و غیر تهاجمی را برای کنترل ژن ها ، تغییر عملکرد مغز و رساندن دارو به اهداف با دقت میلی متری مهار می کنند.
پیشرفت آنچه سونوژنتیک خوانده می شود ، پیچیدگی جدیدی را درباره یکی از بزرگترین موفقیت های اخیر زیست شناسی ارائه می کند. حدود یک دهه است که زیست شناسان با فعال کردن پروتئین های حساس به نور با نور لیزر قادر به کنترل ژن ها و سلول های عصبی هستند. این روش که به اپتوژنتیک معروف است ، رشته علوم عصبی را دگرگون کرده است و کاربرد آن در بسیاری از شاخه های دیگر زیست شناسی رواج دارد. با نور ، محققان هم اکنون می توانند الگوهای شلیک سلول های عصبی فردی را کنترل کنند ، ژن های تنظیمی مشخصی را در سلول هایی خاص روشن کنند تا ببینند چگونه بر رشد تأثیر می گذارد و کارهای دیگری انجام می دهند. اما اپتوژنتیک با یک نقص مهم روبرو است: نور خیلی زیاد به داخل بافت زنده نفوذ نمی کند ، بنابراین کاربردهای آن عمدتاً محدود به حیوانات ریز و شفاف ، کشت سلولی در ظروف پتری و جایی است که می توان الیاف نوری را با جراحی به بافت های عمیق تر پیوند زد.
در مقابل ، امواج فراصوت در اعماق بافت ها نفوذ می کنند - از این رو از آنها برای تصویربرداری از جنین استفاده می شود. آنها همچنین می توانند تقریباً به همان دقت پرتوهای لیزر متمرکز شوند. در آن تمرکز میلی متری ، پالس های فراصوتی می توانند سلول ها را به آرامی گرم یا به طور فیزیکی آهسته تکان دهند. (پالس های شدیدتر می توانند آن قدر سلول ها را گرم کنند که آنها کشته شوند ، اثری که مدت های طولانی است برای از بین بردن مناطق سرکش مغز برای معالجه اختلالاتی مانند لرزش اساسی ، بیماری‌ای مانند پارکینسون، استفاده می شود.)
هنگامی که محققان سوئیچ های سلولی ایجاد می کنند که به دما یا لرزش حساس هستند ، آنها کنترل فرایندهای سلولی را فراتر از حد اپتوژنتیک به دست می آورند. میخائیل شاپیرو ، مهندس شیمی در انستیتوی فناوری کالیفرنیا در پاسادنا می گوید: "این دارای این پتانسیل است که قابلیت هسته ای اپتوژنتیک را فراهم آورد با این تفاوت که در این حال شما می توانید آن را بطور غیر تهاجمی در بافت های عمیق انجام دهید."
به عنوان مثال ، شاپیرو در حال ایجاد سوئیچ های حساس به دما برای کنترل عملکرد ژن است. اکثر سلول ها به طور طبیعی سوئیچ هایی از این دست دارند ، اما نوعاً آنقدر قوی برای استفاده در تحقیقات نیستند: گرم شدن آرام فعالیت ژن را فقط در حدود ده برابر می کند ، که تشخیص آن در میان تمام فرآیندهای موجود در یک ارگانیسم زنده می تواند دشوار باشد. پالس های فراصوتی می توانند سلول ها را به آرامی گرم یا به طور فیزیکی آهسته تکان دهند. اما تیم شاپیرو دو پروتئین پیدا کرد - یکی از یک باکتری ، دیگری از یک ویروس - که دارای اثر 300 برابری در فعالیت ژن در طی تغییر 3 درجه ای در دما بودند. وی پس از انجام برخی پیچیدن های ژنتیکی ، این پروتئین ها را تنظیم کرد تا در دماهای مختلف از 32 تا 46 درجه سانتیگراد پاسخ دهند. وی می گوید: "در نتیجه ، اکنون ما یک کتابخانه کامل از زیست سنج های حرارتی داریم ، بنابراین می توانید دمای مورد نظر خود را که می خواهید در آن عمل کنند انتخاب کنید."
تاکنون تیم وی از مهندسی ژنتیک برای درج سوئیچ های دمایی در باکتریها استفاده کرده است. محققان دیگر نیز دارند شروع به قرار دادن آنها در سلول های پستانداران می کنند.
سال گذشته گزارشی از کاربرد این تکنیک در سیستم ایمنی درمانی در سرطان ارائه شد که بر طبق آن همچنان دیگران در حال توسعه سویچ های ژنتیکی هستند که بیشتر با لرزش های القا شده توسط فراصوت فعال می شوند تا با گرما دهی. سرانجام از آن همچنین می توان استفاده کرد برای کاوش عملکرد ژن ها با استفاده از گزینه های انتخابی روشن یا خاموش کردن آنها در سلول های خاص تا ببینیم چه اتفاقی می افتد.
محققان همچنین دریافتند که نوع صحیح پالس های فراصوت متمرکز شده می تواند به نوعی سلول های عصبی را به طور مستقیم تحریک یا مهار کند ، حتی بدون سوئیچ های مخصوص مهندسی شده. این اثر به اندازه سوئیچ ها دقیق نیست ، اما می تواند برای برخی از مطالعات کافی باشد.
فراصوت همچنین ممکن است به عنوان ابزاری برای وارد کردن ژن ها در سلول های خاص مغز به نام نورون ها مورد استفاده قرار گیرد. به طور معمول ، سلول ها در مغزهای زنده دست نخورده برای مهندسی ژنتیک دشوار هستند ، زیرا سلول های آستر رگ های خونی در مغز در مقابل یکدیگر مهر و موم شده اند تا از ورود پاتوژن ها و مولکول های بزرگ به مغز جلوگیری کنند. این سد خونی مغزی ویروس هایی را که معمولاً توسط مهندسان ژنتیک برای معرفی ژن های جدید استفاده می شود ، بیرون نگاه می دارد.
منبع: باب هولمز
