Ερευνητές στις Ηνωμένες Πολιτείες έχουν αναπτύξει μια νέα μέθοδο για τον εξ αποστάσεως έλεγχο του εγκεφάλου και της συμπεριφοράς μέσω μαγνητισμένης πρωτεΐνης. Μπορούν να σχεδιάσουν το μέγεθος των σωματιδίων, τις ιδιότητες, το ποιες λειτουργίες θα επηρεάζουν, καθώς και το πόσο καιρό θα μπορούν να εντοπίζονται πρωτού εξαφανιστούν. Οι εφαρμογές της γενετικής μηχανικής στον έλεγχο της συμπεριφοράς και των ανθρώπινων λειτουργιών, ιδίως μέσω των εμβολίων, τώρα αρχίζουν να κλιμακώνονται προς μονοπάτια που προκαλούν συναγερμό για το ανθρώπινο είδος, την ανθρώπινη αξιοπρέπεια και τις ελευθερίες μας.

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος ελέγχει την συμπεριφορά είναι ένας από τους τελικούς στόχους της νευροεπιστήμης – και ένα από τα πιο δύσκολα ερωτήματά της. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει μια σειρά μεθόδων, που τους επιτρέπουν να ελέγχουν εξ αποστάσεως συγκεκριμένες ομάδες νευρώνων και να διερευνούν τη λειτουργία των νευρωνικών κυκλωμάτων.

Η πιο ισχυρή από αυτές είναι μια μέθοδος που ονομάζεται οπτογενετική, η οποία επιτρέπει στους ερευνητές να ενεργοποιούν ή να απενεργοποιούν πληθυσμούς σχετικών νευρώνων σε χρονική κλίμακα χιλιοστών του δευτερολέπτου με παλμούς φωτός λέιζερ. Μια άλλη πρόσφατα αναπτυγμένη μέθοδος, που ονομάζεται χημειογενετική, χρησιμοποιεί μηχανικές πρωτεΐνες που ενεργοποιούνται από φάρμακα σχεδιαστών και μπορούν να στοχεύσουν σε συγκεκριμένους τύπους κυττάρων.

Αν και ισχυρές, και οι δύο αυτές μέθοδοι έχουν μειονεκτήματα. Η οπτογενετική είναι επεμβατική, απαιτεί εισαγωγή οπτικών ινών που μεταφέρουν τους παλμούς φωτός στον εγκέφαλο και, επιπλέον, ο βαθμός στον οποίο το φως διεισδύει στον πυκνό ιστό του εγκεφάλου είναι πολύ περιορισμένος. Οι χημειογενετικές προσεγγίσεις ξεπερνούν και τους δύο αυτούς περιορισμούς, αλλά συνήθως προκαλούν βιοχημικές αντιδράσεις που χρειάζονται αρκετά δευτερόλεπτα για να ενεργοποιήσουν τα νευρικά κύτταρα.

Magneto: Η νέα τεχνική με μαγνητισμένη πρωτεΐνη

Η νέα τεχνική, που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο του Ali Güler στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια στο Charlottesville, και περιγράφεται σε δημοσίευση στο περιοδικό Nature Neuroscience, δεν είναι μόνο μη επεμβατική, αλλά μπορεί επίσης να ενεργοποιήσει τους νευρώνες γρήγορα και αναστρέψιμα.

Αρκετές προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι οι πρωτεΐνες των νευρικών κυττάρων που ενεργοποιούνται από τη θερμότητα και τη μηχανική πίεση μπορούν να κατασκευαστούν γενετικά έτσι ώστε να γίνουν ευαίσθητες στα ραδιοκύματα και τα μαγνητικά πεδία, συνδέοντάς τες με μια πρωτεΐνη που αποθηκεύει σίδηρο που ονομάζεται φερριτίνη ή σε ανόργανα παραμαγνητικά σωματίδια . Αυτές οι μέθοδοι αντιπροσωπεύουν μια σημαντική πρόοδο – έχουν, για παράδειγμα, ήδη χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση των επιπέδων γλυκόζης στο αίμα σε ποντίκια – αλλά περιλαμβάνουν πολλαπλά συστατικά τα οποία πρέπει να εισαχθούν ξεχωριστά.

Η νέα τεχνική βασίζεται σε αυτήν την προηγούμενη εργασία και βασίζεται σε μια πρωτεΐνη που ονομάζεται TRPV4, η οποία είναι ευαίσθητη τόσο στη θερμοκρασία όσο και στις δυνάμεις διάτασης. Αυτά τα ερεθίσματα ανοίγουν τον κεντρικό πόρο του, επιτρέποντας στο ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. Αυτό προκαλεί νευρικές παρορμήσεις που ταξιδεύουν στον νωτιαίο μυελό και στη συνέχεια στον εγκέφαλο.

Ο Güler και οι συνάδελφοί του σκέφτηκαν ότι οι δυνάμεις μαγνητικής ροπής (ή περιστροφής) ενδέχεται να ενεργοποιήσουν το TRPV4 ανοίγοντας τον κεντρικό πόρο του και έτσι χρησιμοποίησαν τη γενετική μηχανική για να συγχωνεύσουν την πρωτεΐνη στην παραμαγνητική περιοχή της φερριτίνης, μαζί με σύντομες ακολουθίες DNA που σηματοδοτούν τα κύτταρα να μεταφέρουν πρωτεΐνες στη μεμβράνη των νευρικών κυττάρων και τις εισάγουν σε αυτήν.

Όταν εισήγαγαν αυτό το γενετικό κατασκεύασμα στα ανθρώπινα εμβρυϊκά νεφρικά κύτταρα που αναπτύσσονταν στα πιάτα Petri, τα κύτταρα συνθέτουν την πρωτεΐνη «Magneto» και την εισάγουν στη μεμβράνη τους. Η εφαρμογή μαγνητικού πεδίου ενεργοποίησε την τροποποιημένη πρωτεΐνη TRPV1, όπως αποδεικνύεται από παροδικές αυξήσεις στη συγκέντρωση ιόντων ασβεστίου εντός των κυττάρων, οι οποίες ανιχνεύθηκαν με μικροσκόπιο φθορισμού.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές εισήγαγαν την αλληλουχία Magneto DNA στο γονιδίωμα ενός ιού, μαζί με το γονίδιο που κωδικοποιεί την πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη και ρυθμιστικές αλληλουχίες DNA που προκαλούν το κτίσμα να εκφράζεται μόνο σε συγκεκριμένους τύπους νευρώνων. Στη συνέχεια έκαναν τον ιό στον εγκέφαλο των ποντικών, στοχεύοντας στον ενδορθικό φλοιό και τεμαχίζουν τον εγκέφαλο των ζώων για να εντοπίσουν τα κύτταρα που εξέπεμπαν πράσινο φθορισμό. Χρησιμοποιώντας μικροηλεκτρόδια, έδειξαν στη συνέχεια ότι η εφαρμογή μαγνητικού πεδίου στις φέτες του εγκεφάλου ενεργοποίησε το Magneto έτσι ώστε τα κύτταρα να παράγουν νευρικά ερεθίσματα.

Για να διαπιστωθεί εάν το Magneto μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη χειραγώγηση της νευρωνικής δραστηριότητας σε ζωντανά ζώα, ένεσαν τον Magneto σε προνύμφες zebrafish, στοχεύοντας νευρώνες στον κορμό και την ουρά που κανονικά ελέγχουν την απόκριση διαφυγής. Στη συνέχεια, τοποθέτησαν τις προνύμφες ζέβρα ψαριών σε ένα ειδικά κατασκευασμένο μαγνητισμένο ενυδρείο και διαπίστωσαν ότι η έκθεση σε μαγνητικό πεδίο προκάλεσε περιελίξεις μανούβρες παρόμοιες με αυτές που συμβαίνουν κατά την απόκριση διαφυγής. (Αυτό το πείραμα περιελάμβανε συνολικά εννέα προνύμφες ζέβρα και οι επόμενες αναλύσεις αποκάλυψαν ότι κάθε προνύμφη περιείχε περίπου 5 νευρώνες που εκφράζουν τον Μαγνήτο.)

Σε ένα τελευταίο πείραμα, οι ερευνητές ένεσαν τον Magneto στο ραβδωτό σώμα των ποντικών με ελεύθερη συμπεριφορά, μια βαθιά εγκεφαλική δομή που περιέχει νευρώνες που παράγουν ντοπαμίνη και εμπλέκονται στην ανταμοιβή και το κίνητρο, και στη συνέχεια τοποθέτησαν τα ζώα σε μια συσκευή χωρισμένη σε μαγνητισμένα και μη μαγνητισμένα τμήματα. Τα ποντίκια που εκφράζουν το Magneto πέρασαν πολύ περισσότερο χρόνο στις μαγνητισμένες περιοχές από τα ποντίκια που δεν το έκαναν, επειδή η ενεργοποίηση της πρωτεΐνης προκάλεσε στους ραβδωτούς νευρώνες που την εκφράζουν να απελευθερώνουν ντοπαμίνη, έτσι ώστε τα ποντίκια να βρίσκουν ότι σε αυτές τις περιοχές ανταμείβουν. Αυτό δείχνει ότι ο Magneto μπορεί να ελέγξει εξ αποστάσεως την πυροδότηση νευρώνων βαθιά μέσα στον εγκέφαλο και επίσης να ελέγξει πολύπλοκες συμπεριφορές.

Ο νευροεπιστήμονας Steve Ramirez του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, ο οποίος χρησιμοποιεί οπτογενετική για να χειριστεί τις μνήμες στον εγκέφαλο των ποντικών, λέει ότι η μελέτη είναι «κακή».

«Οι προηγούμενες προσπάθειες [με τη χρήση μαγνητών για τον έλεγχο της νευρωνικής δραστηριότητας] χρειάζονταν πολλαπλά συστατικά για να λειτουργήσει το σύστημα-έγχυση μαγνητικών σωματιδίων, έγχυση ιού που εκφράζει ένα κανάλι ευαίσθητο στη θερμότητα, [ή] στερέωση του κεφαλιού στο ζώο έτσι ώστε ένα πηνίο να μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στο μαγνητισμό », εξηγεί. “Το πρόβλημα με την ύπαρξη συστήματος πολλαπλών συστατικών είναι ότι υπάρχει τόσος χώρος για να χαλάσει κάθε κομμάτι.”

“Αυτό το σύστημα είναι ένας μοναδικός, κομψός ιός που μπορεί να εγχυθεί οπουδήποτε στον εγκέφαλο, γεγονός που καθιστά τεχνικά ευκολότερο και λιγότερο πιθανό να σπάσουν τα κινούμενα κουδούνια και τα σφυρίγματα”, προσθέτει, “και ο εξοπλισμός συμπεριφοράς τους ήταν έξυπνα σχεδιασμένος για να περιέχει μαγνήτες όπου ενδείκνυται έτσι ώστε τα ζώα να μπορούν να κυκλοφορούν ελεύθερα ».

Τα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια σε εμβόλια DNA

Η αποτελεσματικότητα της παροχής εμβολίων DNA είναι συχνά σχετικά χαμηλή, σε σύγκριση με τα εμβόλια πρωτεΐνης. Η χρήση υπερπαραμαγνητικών νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου (SPIONs) για τη χορήγηση γονιδίων μέσω μαγνητικής αντίδρασης δείχνει υποσχόμενη για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της χορήγησης γονιδίων τόσο in vitro όσο και in vivo.

Τα SPION που έχουν καταστεί σταθερά σε φυσιολογικές συνθήκες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως θεραπευτικοί και διαγνωστικοί παράγοντες λόγω των μοναδικών μαγνητικών χαρακτηριστικών τους.

Τα πολύτιμα χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου σε βιοεφαρμογές περιλαμβάνουν τον αυστηρό έλεγχο της κατανομής του μεγέθους τους, τις μαγνητικές ιδιότητες αυτών των σωματιδίων και την ικανότητα μεταφοράς συγκεκριμένων βιομορίων σε συγκεκριμένους στόχους. Η εσωτερικοποίηση και ο χρόνος ημίσειας ζωής των σωματιδίων μέσα στο σώμα εξαρτώνται από τη μέθοδο σύνθεσης.

Πολλές μέθοδοι σύνθεσης έχουν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή μαγνητικών νανοσωματιδίων για βιοεφαρμογές με διαφορετικά μεγέθη και επιφανειακά φορτία.

Το μέγεθος, οι ιδιότητες, η στόχευση των υπερμαγνητικών νανοσωματιδίων και ο χρόνος που μπορούν να εντοπιστούν πριν εξαφανιστούν, ιδίως όταν περιλαμβάνονται σε εμβόλια, μπορούν να ρυθμιστούν κατά την βούληση των κατασκευαστών τους.

Επιστημονική Αναφορά

Wheeler, M. A., et al. (2016). Genetically targeted magnetic control of the nervous system. Nat. Neurosci., DOI: 10.1038/nn.4265

Written by

Ιωάννης Νασιούλας

Ο Ιωάννης Νασιούλας είναι Διδάκτωρ Κοινωνιολογίας, Εμπειρογνώμων της Ευρωπαϊκής Επιτροπής και Διευθυντής του Ινστιτούτου Κοινωνικής Οικονομίας. Είναι Επικεφαλής της Δημοτικής Παράταξης "Νέα Αρχή για την Θεσσαλονίκη" και Δημοτικός Σύμβουλος του Δήμου Θεσσαλονίκης.