В последние годы термогенетика, изучающая возможность управления нейронными процессами с помощью тепла, становится всё более популярной в нейробиологии и медицине. Исследования показывают, что термочувствительные ионные каналы, такие как человеческий TRPV1, обладают потенциалом для применения в терапии неврологических заболеваний. В недавнем исследовании, опубликованном большой группой российских ученых в журнале Cellular and Molecular Life Science, ученые показали, что человеческий терморецептор hTRPV1 вполне пригоден в качестве термогенетического инструмента для клинической нейромодуляции.
Схема финальной части исследования
В нынешнем году исполняется 20 лет такому популярному методу воздействия на нейроны, как оптогенетика. В этом методе в мембрану нейронов различными генноинженерными методами встраиваются светочувствительные белки – родопсины. Таким способом, посветив на клетку лазерным лучом нужной длины волны, мы можем «включить» или «выключить» нужный нейрон. Смело можно сказать, что оптогенетика привела к революции в методах нейронаук, и ее создатели наверняка получат рано или поздно Нобелевскую премию. Однако у оптогенетики есть несколько важных ограничений, которые мешают широкому применению оптогенетики в клиническом поле.
Во-первых, мозг непрозрачен, поэтому для активации сколь-нибудь глубоких слоев нужно «прорубать» окно для световода. Во-вторых, белки, которые встраиваются в мембрану – чужеродные (чаще всего это – бактериальные родопсины). Поэтому их не оставляет без внимания иммунная система.
Менее десяти лет назад российским исследователем Всеволодом Белоусовым с коллегами был предложен альтернативный метод – термогенетика: встраивание в нейроны термочувствительных белков семейства TRPV, за открытие которых Дэвид Джулиус и Арден Патапутян в 2021 году получили и премию Кавли, и Нобелевскую премию. Здесь нейрон достаточно нагреть, чтобы он сгенерировал потенциал действия. Это можно сделать ИК-лазером или направленным ультразвуком.
В первых экспериментах использовались TRPV-каналы гремучей змеи, на основе которой работает ее «тепловизор», с которым она охотится. Однако в этом случае проблема иммунной системы остается актуальной.
В новой работе авторы продемонстрировали (пока что на мышах), что термогенетическое управление поведением животного возможно и с человеческим рецептором. Авторами статьи стал большой коллектив российских ученых, первым автором выступил Дмитрий Мальцев, представляющий Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН и Федеральный центр мозга и нейротехнологий ФМБА России. Был среди авторов статьи и создатель метода, ныне – член-корреспондент РАН, директор Федерального центра мозга и нейротехнологий ФМБА России Всеволод Белоусов.
В своей работе авторы использовали человеческий термочувствительный канал hTRPV1. Они последовательно показали работоспособность термогенетических методов сначала in vitro (на культурах нейронов), затем – на живых срезах, а затем – на живых мышах. На культурах клеток и срезах было показано, что нейроны с человеческим рецептором отвечают активностью на нагрев до безопасной для клеток температуры, что очень важно для клинического применения на мышах же уже проводили поведенческие эксперименты.
Схема экспериментов на срезах мозга
Животным вводили в нейроны клиновидного ядра продолговатого мозга, отвечающего за движение, гены TRPV1 и кальциевого датчика, который позволяет визуализировать изменения уровня кальция в клетках. Это позволяет оценить нейронную активность в реальном времени. К этому же ядру подводили волновод инфракрасного лазера. В результате включение лазера приводило к началу движения мыши, выключение – к остановке движения.
Повторяющиеся сессии термогенетической активации не вызывали деградации нейронного ответа, что указывает на возможность применения этого метода в длительной терапии. TRPV1 может стать новым инструментом для лечения различных неврологических заболеваний, включая эпилепсию и двигательные расстройства.
О продолжении этих исследований Всеволод Белоусов рассказал на проходящей в эти дни в Санкт-Петербурге конференции «Оптогенетика 2025+» в своей пленарной лекции, о которой мы тоже скоро расскажем.
Текст: Алексей Паевский, Иван Долгих
Maltsev, D.I., Solotenkov, M.A., Mukhametshina, L.F. et al. Human TRPV1 is an efficient thermogenetic actuator for chronic neuromodulation. Cell. Mol. Life Sci. 81, 437 (2024). https://doi.org/10.1007/s00018-024-05475-x
