Человеческий термочувствительный канал экспрессировали в мозге мышей

Термогенетика — это область синтетической биологии, в которой контроль над живыми системами осуществляется посредством нагревания. Ее 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. О том, что лежит в основе термогенетики и о возможности ее использования в медицине, вы узнаете из статьи.

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 определенных 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.

Ученые разработали новый подход направленной стимуляции определенных структур головного мозга с помощью метода термогенетики, который позволяет нагревать нужные области мозга без всякого вреда для них. Авторы подчеркивают, что важнейшая особенность разработанного ими термогенетического инструмента состоит, 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.