Хемогенетика

Хемогенетика (англ. Chemogenetics) — это технология, с помощью которого макромолекулы могут быть сконструированы для взаимодействия с ранее неизвестными небольшими молекулами. Сконструированные макромолекулы, используемые для создания этих рецепторов, включают гибриды нуклеиновых кислот, киназы, различные метаболические ферменты, и G-белки рецепторов, такие как DREADDs.

Хемогенетика — технология исследования функций отдельных групп нейронов. Специально «обученные» вирусные частицы — векторы — избирательно доставляют в нейроны определённого типа генетические конструкции, производящие молекулы синтетического рецептора. Эти молекулы встраиваются в мембрану нейрона и способны запускать активирующий его каскад клеточных реакций, но только в ответ на вещество, которое вводит экспериментатор. Хемогенетика позволяет включать и выключать нейроны, оснащённые такой системой.

В исследовательских проектах хемогенетика широко использовалась для понимания взаимосвязи между активностью мозга и поведением. До хемогенетики исследователи использовали такие методы, как транскраниальная магнитная стимуляция и глубокая стимуляция мозга, для изучения взаимосвязи между нейрональной активностью и поведением.

Исследования

Использование генно-инженерных инструментов получило распространение в нейробиологии в последние два десятилетия и ознаменовало выход этой науки на качественно новый уровень. Генно-инженерные инструменты позволяют исследовать практически все аспекты развития и функционирования нервной системы, включая обработку информации в нейронных сетях, ведь не иначе как через гены запускаются те молекулярные и клеточные механизмы, которые осуществляют постройку нейронных сетей и управление ими. Научившись операциям с генами, мы получаем возможность следить за внутренней работой клеток и внутрисетевыми межклеточными взаимодействиями.

2016

В 2016 году американские физиологи впервые смогли избирательно отключить нейроны миндалевидного тела обезьян — и пронаблюдали за тем, как мозг адаптируется к его «отсутствию». При этом изменились паттерны связей всего головного мозга, затрагивая даже области, которые, насколько известно, напрямую с миндалиной не связаны — такие как ретроспленальная кора, медиальная теменная и поясная кора.

Авторы использовали хемогенетический метод DREADDs (Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs, «Искусственные рецепторы, избирательно активируемые искусственными препаратами») — получение ГМ-организмов, определенные нейроны которых содержат синтетические версии рецепторных белков, не реагирующие на обычные нейромедиаторы организма, но срабатывающие в ответ на введение даже наномолярных концентраций специальных, синтетических сигнальных веществ.

В будущем такая технология позволит управлять активностью других участков и органов мозга.

Белок «магнето»

Белок магнето был создан Али Дениз Гюлером и Майклом Уилером в рамках проекта в Университете Вирджинии в 2016 году. Мыши с магнето, встроенным в зоны удовольствия в мозге, отвечающие за выработку дофамина, предпочитали находиться в той части лабиринта, где действовали магнитные поля, а рыбки данио-рерио с магнето, встроенным в зоны, отвечающие за обработку информации о давлении потоков воды, при воздействии магнитных полей начинали активно двигаться.

2020

С помощью хемогенетической активации глутаматергических нейронов префронтальной коры ювенильных крысят впервые установлено, что активация этих нейронов ослабляет проявления психоэмоциональной тревожности в ювенильный период онтогенеза. Этот результат свидетельствует о возможности целенаправленного управления активностью нейронов начиная с ранних этапов формирования головного мозга.

Хемогенетика и ультразвук

Фокусированный ультразвук различной степени интенсивности обладает широким потенциалом для контроля активности нейронных сетей. Высокоинтенсивный ультразвук способен стимулировать глубокие слои мозга, что применяется для терапии болезни Паркинсона, а также разрушать дисфункциональные клетки, позволяя проводить операции на пациентах, пребывающих в сознании, без использования анестезии. В то же время ультразвук низкой интенсивности открывает возможности более тонкого регулирования активности нейронов: гематоэнцефалический барьер, чьи клетки препятствуют проникновению нежелательных веществ из крови в мозг, может быть открыт вибрациями ультразвуковой волны. Пользуясь таким доступом к нервным клеткам, исследователи из Калифорнийского технологического университета смогли «вырастить» на них искусственные рецепторы, которые активируются под воздействием исключительно синтетических препаратов (DREADDs — Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs), и таким образом «выключать» формирование новых воспоминаний у мышей.

Схемы, иллюстрирующие метод ATAC — acoustically targeted chemogenetics (Szablowski et al.)

Ключевыми компонентами метода ATAC — acoustically targeted chemogenetics — стали:

• фокусированный ультразвук,
• аденоассоциированный вирус с заданным учеными генетическим кодом,
• формирующиеся под его воздействием искусственные рецепторы, активируемые исключительно искусственными препаратами.

Каким образом связаны эти компоненты

Сначала мышам вводили в кровь мельчайшие воздушные пузырьки и аденоассоциированный вирус, который по своей природе не является патогенным, но встраивает свою ДНК в ДНК носителя. Затем при помощи МРТ находили определенный участок мозга, который необходимо «выключить», в данном случае — гиппокамп. Воздействие на него фокусированной ультразвуковой волны точечно запускало процесс кавитации — схлопывания пузырьков с высвобождением энергии, которая «расшатывает» клетки гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), открывая вирусному вектору путь к нервной ткани. Тогда вирус, способный проникать только в определенный тип клеток, в данном случае — нервных в области гиппокампа, встраивал в них ДНК, запрограммированную учеными, включая инструкцию к созданию искусственных аналогов семиспиральных рецепторов. Однако в отличие от естественных белков искусственные рецепторы не реагируют ни на одно химическое вещество, присутствующее в живом организме, и «молчат» до тех пор, пока не будут активированы специальным препаратом, в данном случае — клозапин-N-оксидом. Будучи активированными, рецепторы препятствовали формированию новых воспоминаний.

Каково потенциальное применение возможности к «не-запоминанию»?

Например, для предотвращения формирования негативных воспоминаний. Так, через час после введения N-оксида-клозапина мышей подвергали электрической стимуляции в определенной среде, а через сутки возвращали в контекст, в котором оказывалось негативное воздействие. Обычно возвращение в ассоциированную со стрессовым воздействием обстановку заставляет мышей испытывать страх, проявляющихся как на физиологическом, так и поведенческом уровнях, однако у участников эксперимента подобные проявления наблюдались лишь в незначительном количестве, иначе говоря, была сформирована невосприимчивость к стрессовым стимулам.

Блокирование памяти об испытанном страхе: схема проведения процедуры (Szablowski et al.)

Авторы работы подчеркивают, что предыдущие исследования в данном направлении сочетали в себе использование векторных вирусов или с доставкой сквозь ГЭБ, или для формирования дизайнерских рецепторов, но ни разу все три компонента. Кроме того преимущество данной технологии над другими в том, что «запрограммированный» исследователями вирус может связываться только с определенным типом клеток — допустим, с нервными, не затрагивая глиальные — тем самым оказывая точечное и обратимое воздействие.

См. также

• Вакцина против COVID-19
• 5G
• Манипуляция сознанием
• Биоцифровая конвергенция

Ссылки

• Определенный нейронный путь контролирует зависимость у крыс // 13 октября 2019
• Магнетический контроль над мозгом («Магнето»)