Температурочувствительные каналы на службе медицины

Экспериментальная установка для одновременной термогенетической стимуляции с использованием ИК-лазера и детекции сигнала датчика кальция GCaMP6s. BP1 и BP2 — интерференционные фильтры; DM1 и DM2 — дихроичные зеркала; HWP — полуволновая пластина нулевого порядка; L1, L2 и L3 — линзы; LED — светодиод с длиной волны 470 нм; M1 и M2 — широкополосные диэлектрические зеркала; Obj — объектив; PBSC — поляризационный светоделительный куб. Иллюстрация: пресс-служба РНИМУ им. Н.И. Пирогова

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.

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 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.