Sonogenetika: Mengontrol Sel dengan Suara

Menjadi nirkabel adalah masa depan untuk hampir semua hal,” kata penulis senior Sreekanth Chalasani, seorang profesor di Laboratorium di Salk Institute, USA. “Kita sudah tahu bahwa ultrasound aman, dan dapat menembus tulang, otot, dan jaringan lain, menjadikannya alat utama untuk memanipulasi sel jauh di dalam tubuh.”

Sekitar satu dekade yang lalu, Chalasani memelopori gagasan menggunakan gelombang ultrasonik untuk merangsang kelompok tertentu dari sel yang ditandai secara genetik, dan menciptakan istilah “sonogenetika” untuk menggambarkannya. Pada tahun 2015, kelompoknya menunjukkan bahwa, pada cacing gelang Caenorhabditis elegans, protein yang disebut TRP-4 membuat sel sensitif terhadap ultrasound frekuensi rendah. Ketika para peneliti menambahkan TRP-4 ke neuron C. elegans yang biasanya tidak memilikinya, mereka dapat mengaktifkan sel-sel ini dengan ledakan ultrasound gelombang suara yang sama yang digunakan dalam sonogram medis.

Sonogenetika adalah ilmu yang mempelajari tentang hubungan sel dan responnya terhadap suara.

Namun, ketika para peneliti mencoba menambahkan TRP-4 ke sel mamalia, protein tersebut tidak mampu membuat sel merespons ultrasound. Beberapa protein mamalia dilaporkan sensitif terhadap ultrasound, tetapi tidak ada yang tampak ideal untuk penggunaan klinis. Jadi Chalasani dan rekan-rekannya mencari protein mamalia baru yang membuat sel menjadi sensitif terhadap ultrasound pada 7 MHz, yang dianggap sebagai frekuensi yang optimal dan aman.

“Pendekatan kami berbeda dari layar sebelumnya karena kami berangkat untuk mencari saluran yang sensitif terhadap ultrasound secara komprehensif,” kata Yusuf Tufail, mantan ilmuwan proyek di Salk dan salah satu penulis makalah.

Para peneliti menambahkan ratusan protein yang berbeda, satu per satu, ke garis Human Research Cell Line (HEK), yang biasanya tidak merespons ultrasound. Kemudian, mereka menempatkan setiap kultur sel di bawah pengaturan yang memungkinkan mereka memantau perubahan sel pada stimulasi ultrasound.

Setelah menyaring protein selama lebih dari satu tahun, dan bekerja melalui hampir 300 kandidat, para ilmuwan akhirnya menemukan satu yang membuat sel HEK sensitif terhadap frekuensi ultrasound 7 MHz. TRPA1, protein saluran, diketahui membiarkan sel merespon keberadaan senyawa berbahaya dan mengaktifkan berbagai sel dalam tubuh manusia, termasuk sel otak dan jantung.

Tetapi tim Chalasani menemukan bahwa saluran tersebut juga terbuka sebagai respons terhadap ultrasound dalam sel HEK.

“Kami benar-benar terkejut,” kata rekan penulis pertama makalah Marc Duque, seorang siswa pertukaran Salk. “TRPA1 telah dipelajari dengan baik dalam literatur tetapi belum digambarkan sebagai protein mekanosensitif klasik yang Anda harapkan untuk merespons ultrasound.”

Untuk menguji apakah saluran dapat mengaktifkan jenis sel lain sebagai respons terhadap ultrasound, tim menggunakan pendekatan terapi gen untuk menambahkan gen TRPA1 manusia ke kelompok neuron tertentu di otak tikus hidup. Ketika mereka kemudian memberikan ultrasound pada tikus, hanya neuron dengan gen TRPA1 yang diaktifkan.

Pemanfaatan, Dokter yang merawat kondisi penyakit Parkinson dan epilepsi saat ini menggunakan stimulasi otak dalam, yang melibatkan pembedahan penanaman elektroda di otak, untuk mengaktifkan subset neuron tertentu. Chalasani mengatakan bahwa sonogenetika suatu hari nanti dapat menggantikan pendekatan ini — langkah selanjutnya adalah mengembangkan metode pemberian terapi gen yang dapat melintasi sawar darah-otak, sesuatu yang telah dipelajari.

Mungkin lebih cepat, katanya, sonogenetika dapat digunakan untuk mengaktifkan sel-sel di jantung, sebagai semacam alat pacu jantung yang tidak memerlukan implantasi. “Teknik pengiriman gen sudah ada untuk mendapatkan gen baru seperti TRPA1 ke dalam hati manusia,” kata Chalasani. “Jika kita kemudian dapat menggunakan perangkat ultrasound eksternal untuk mengaktifkan sel-sel itu, itu benar-benar dapat merevolusi alat pacu jantung.”

Untuk saat ini, timnya sedang melakukan pekerjaan yang lebih mendasar tentang bagaimana TRPA1 merasakan ultrasound. “Agar temuan ini lebih berguna untuk penelitian dan aplikasi klinis di masa depan, kami berharap dapat menentukan dengan tepat bagian TRPA1 mana yang berkontribusi pada sensitivitas ultrasound dan menyesuaikannya untuk meningkatkan sensitivitas ini,” kata Corinne Lee-Kubli, salah satu penulis pertama, mantan rekan postdoctoral di Salk.

Mereka juga berencana untuk melakukan pemeriksaan lain untuk protein sensitif ultrasound — kali ini mencari protein yang dapat menghambat, atau mematikan, aktivitas sel sebagai respons terhadap ultrasound.

Pekerjaan ini didukung oleh National Institutes of Health (R01MH111534, R01NS115591), Brain Research Foundation, Kavli Institute of Brain and Mind, Life Sciences Research Foundation, W.M. Keck Foundation (SERF), dan Waitt Advanced Biophotonics dan GT3 Cores (yang menerima dana melalui NCI CCSG P30014195 dan NINDSR24).

Jurnal Referensi:

• Marc Duque, Corinne A. Lee-Kubli, Uri Magaram, Janki Patel, Yusuf Tufail, Ahana Chakraborty, Jose Mendoza Lopez, Aditya Vasan, Rani Shiao, Eric Edsinger, Connor Weiss, James Friend, Sreekanth H. Chalasani. 2022. Sonogenetic control of mammalian cells using exogenous Transient Receptor Potential A1 channels. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-28205-y