Термогенетика — это область синтетической биологии, в которой контроль над живыми системами осуществляется посредством нагревания. Её влияние на организм обусловлено активностью особых температурочувствительных белков-каналов.
Ученые из Пироговского Университета, Федерального центра мозга и нейротехнологий ФМБА России, научного центра LIFT и других научных организаций экспрессировали человеческий термочувствительный канал TRPV1 в мозге мышей и показали, что даже небольшое нагревание оказывает существенный эффект на поведение животного, что подтверждает возможность термогенетической нейромодуляции.
В основе термогенетики лежат термочувствительные белки-каналы из семейства TRP, в том числе канал TRPV1. Эти неселективные катионные каналы экспрессируются преимущественно в сенсорных нейронах, клетках слизистых, различных клетках кожи, а также клетках, задействованных в воспалении. Температурочувствительные TRP реагируют не только на повышенную или пониженную температуру, но и на другие параметры окружающей среды, такие как механическое воздействие, pH, осмолярность и присутствие некоторых соединений, например, растительных алкалоидов вроде ментола, который мы субъективно воспринимаем как что‑то холодное, и капсаицина, который кажется нам обжигающим.
Разные температурочувствительные TRP активируются в определённых температурных диапазонах. Если TRP будут активны при нормальной температуре тела, то есть 37 °C, то их экспрессия в нейронах приведет нейроны к постоянной активации и, в конечном итоге, гибели. Если пороговая температура активации TRP заметно больше 42 °C, то его использование будет невозможным из‑за необходимости чрезмерного нагревания клеток.
Для активации нейронов мозга мышей с помощью термогенетики авторы обсуждаемой работы выбрали канал TRPV1 человека (hTRPV1), который находится в закрытом состоянии при 37 °C и имеет пороговую температуру активации около 42 °C.
Исследователи обнаружили, что нагревание клеток до значений ниже пороговых, а именно до 39 °C и 41 °C, вызывало повышение уровня кальция в них. Ученые предположили, что быстрого нагревания hTRPV1 до подпороговых значений может быть достаточно для достижения деполяризации мембран нейронов и запуска потенциалов действия. Таким образом, с помощью hTRPV1 станет возможной нейромодуляция при безопасных температурах для культуры клеток.
При нагревах с 35 °C до 38 °C и выше нейроны начинали генерировать пачки нервных импульсов, которые сопровождались кальциевыми «вспышками» в цитоплазме. Таким образом, для стимуляции нейронов, экспрессирующих hTRPV1, действительно оказалось достаточно небольшого нагревания до безопасной температуры.
Нагревы инфракрасным лазером стабильно на протяжении всех дней стимуляции «заставляли» мышей бегать быстрее и повышали уровень кальция в CnF. Таким образом, с использованием hTRPV1 можно добиться продолжительной (по крайне мере, в течение нескольких дней) нейромодуляции.
Чтобы убедиться, что стимуляция осуществляется избирательно и затрагивает именно те нейроны, которые экспрессируют hTRPV1, авторы работы проанализировали экспрессию белка c-Fos, который служит ретроспективным маркером активности нейронов. Анализ распределения c‑Fos после стимуляции показал, что вблизи места имплантации оптоволокна заметно большее число нейронов экспрессировало c‑Fos по сравнению с контролем.
Однако авторы отмечают, что нейроны, экспрессирующие hTRPV1, могут отвечать на стимуляцию неодинаково, и поэтому только часть из них экспрессирует c-Fos.
Ученые разработали новый подход направленной стимуляции определённых структур головного мозга с помощью метода термогенетики, который позволяет нагревать нужные области мозга без всякого вреда для них.
Авторы подчёркивают, что важнейшая особенность разработанного ими термогенетического инструмента состоит в том, что он основан на использовании температурочувствительного канала TRPV1 человека.
Это делает технологию термогенетики потенциально транслируемой в медицину, и поэтому в скором времени термогенетика, вероятно, сможет найти применение в медицине.
