Un grupo de científicos abre la era de la ‘sonogenética’ al manipular neuronas de ratones y líneas celulares humanas con ondas sonoras
Un grupo de investigadores ha logrado activar neuronas de mamíferos con ultrasonidos. Para conseguirlo, usaron una proteína sensible a las frecuencias altas. Tras introducirla genéticamente en el cerebro de unos ratones, lograron que estos movieran los músculos de sus patas. Repitieron el experimento con células humanas, y lograron también activarlas, según una investigación publicada en Nature Communications el 25 de febrero. En el futuro, aseguran, la sonogenética permitirá actuar sobre distintos órganos del cuerpo con el sonido a nivel celular. Antes habrá que solucionar tanto problemas técnicos como éticos.
El biólogo Edmund Newton Harvey descubrió hace casi un siglo que el corazón extirpado a una rana volvía a latir al aplicarle ultrasonidos. Desde entonces, estas ondas sonoras (inaudibles para los humanos) se han empleado para hacer ecografías y poco más. Entre sus limitados usos clínicos se hallan el tratamiento del dolor neuropático y cirugías de último recurso en casos de cáncer. A pesar de ser una técnica no invasiva, de llegar a lo más profundo del cerebro y a su seguridad, los ultrasonidos no habían logrado hasta ahora solventar su mayor problema: su baja precisión al nivel del tejido, que pierde por completo al nivel celular.
La solución al problema la tenía un gusano. En 2015, un grupo de científicos del Instituto Salk (Estados Unidos) descubrió cómo manipular neuronas individuales del Caenorhabditis elegans, un nematodo muy utilizado en investigación. Identificaron una proteína que era sensible a los ultrasonidos. Y vieron que al interferir en su expresión génica, las neuronas con esta proteína dejaban de activarse al recibir las ondas sonoras; y al contrario, al expresarla lograban que el gusano cambiara sus movimientos. Aquel equipo, pilotado por Sreekanth Chalasani, es el que ha logrado ahora algo similar pero en mamíferos.
La tarea no se presentaba sencilla. El sistema nervioso del C. elegans solo tiene 302 neuronas y se conocen todas sus sinapsis (conexiones). Los humanos tienen más de 100.000 millones de neuronas y aún queda mucho para mapear su árbol sináptico. Lo primero que hicieron fue buscar la proteína sonosensible del gusano en los mamíferos, pero no la encontraron. También intentaron expresarla en células de vertebrados... y tampoco. Así que tuvieron que analizar unas 300 proteínas diferentes buscando una que fuera sensible a los ultrasonidos. Y la han encontrado, se llama TRPA1 y pertenece a un grupo (las TRP) que funcionan como canales de la membrana celular, abriendo y cerrando pasos al interior o desde la célula. Por cierto, David Julius, junto a su colega Ardem Patapoutian, se llevó el último Nobel de Medicina por descubrir estos receptores de la temperatura y el tacto.
Chalasani, autor senior de la investigación, explica: “No empezamos con TRPA1. Examinamos la mayoría, si no todas, las proteínas mecanosensibles y descubrimos que TRPA1 era la más sensible a los ultrasonidos. Fue una sorpresa para nosotros y para el resto de nuestro ámbito. También vimos que la acción de los ultrasonidos no era simplemente mecánica, sino que además modificaba las células de alguna otra manera”. Como cualquier otra onda sonora, perturban el medio por el que se desplazan y ejercen presión sobre la membrana celular, pero los ultrasonidos parece que también afectan a la propia composición de la cubierta celular de una manera que aún no tienen muy claro.
El español Marc Duque Ramírez es el primer autor de esta investigación. “El ultrasonido hace vibrar la membrana, pero el efecto va más allá de lo mecánico”, dice. Y ese efecto tendría que ver con los lípidos que conforman tanto la capa exterior de la célula como su citoesqueleto, la estructura de proteínas que dan sostén al entramado celular. Sea como sea, “se abren los canales, y entran iones de calcio, iones positivos que generan la respuesta celular”.
Los científicos modificaron los genes de ratones para expresar la proteína TRPA1 humana. Después les pusieron un transductor ultrasónico, que convierte una entrada eléctrica en salida en forma de ondas sonoras de alta frecuencia, y comprobaron cómo se activaban las neuronas que específicamente contenían la proteína y no otras. El resultado final fue un movimiento controlado de los músculos de las patas. “`Por sí solo, los ultrasonidos no discriminan entre neuronas”, recuerda Duque. Ese poder de discriminación se lo dan las TRAP1.
Aunque el trabajo se ha abordado con neuronas, en principio nada impide usarlo con células de otros órganos. “Apliqué los ultrasonidos a cardiomiocitos [células del músculo cardíaco] de ratones y vi cómo volvían a latir”, comenta Duque, que ahora investiga en la Universidad de Harvard. Otro posible campo apuntado por el investigador español es el pancreático, “donde podría inducir un aumento de la secreción de insulina”.
El científico de la Universidad Complutense Francisco Monroy investiga la manipulación óptica del ADN (como si fueran unas pinzas) en el proyecto de la Comunidad de Madrid Nucleux. Ha tenido ocasión de revisar esta investigación sobre el nuevo campo de la sonogenética. “La células ciliares del oído están especializadas para percibir el sonido, pero todas las células pueden sentir su impacto”, comenta Monroy. Los bioquímicos, continua este investigador, “llevan dos décadas identificando proteínas mecanosensibles”. El problema es que, como recuerda Monroy, “hasta esta investigación había que modificar genéticamente las neuronas, pero ellos han descubierto que determinadas neuronas de la médula espinal tienen la TRPA1″.
En efecto, estas proteínas están naturalmente presentes en las neuronas de los ganglios dorsales, desde donde dan sensibilidad, en especial al dolor. Su presencia en el sistema nervioso facilitaría una posible aplicación en humanos. Y el primer destino serían el cerebro y sus trastornos. El neurocirujano del hospital universitario de la Universidad de Toronto Andrés Lozano escribió un artículo en 2018 sobre el futuro de la cirugía del párkinson. Entre las estrategias más prometedoras incluía el uso de ultrasonidos, bien directamente en el cerebro o mediante el uso de proteínas mecanosensibles. En un correo comenta que “introducir nuevas proteínas dentro de las neuronas implica recurrir a cirugía con una inyección directa en el cerebro y la expresión de proteínas ajenas; dos pasos que no son insuperables, pero que plantean algunos retos y harán falta varios años para desarrollarlo y trasladarlo a la práctica clínica”.
Pero más que los problemas técnicos, Marc Duque, uno de los autores de esta novísima investigación, cree que antes habrá que solventar los problemas éticos. “No hay consenso ni protocolos sobre la expresión de genes foráneos en células humanas y menos en las del cerebro”. Enseguida aparece el fantasma del control mental. Su jefe en el Instituto Salk cuando descubrieron estas proteínas, Chalasani, rebaja las posibles reticencias y enmarca el debate: “Por sí solos, los ultrasonidos no bastan para activar las neuronas. Necesitamos expresar un canal (la TRPA1) para lograrlo. Así que tendríamos que introducir este canal en las neuronas que queramos controlar. Sin el canal, los ultrasonidos no funcionan. Además, tampoco viajan por el aire, por lo que el efecto se limitaría al animal que expresara la proteína y estuviera en contacto con un transductor”.
