超声波安全刺激细胞

杜克大学的研究人员发现了一种增强超声遗传学或超声波调制的有效性和安全性的方法，这种新兴技术利用声波来控制单个神经元的行为或促进组织生长和其他细胞的伤口愈合。超声波疗法通常使用有针对性的超声波来产生空化气泡 - 迅速振荡的气穴的微小气球，当它们爆裂时会拉伸附近的细胞膜。这种拉伸可以激活钙离子通道，导致神经元发射，或者可以发出身体修复机制的信号，使其进入超速状态。

但是，如果气泡太大或太近，该技术会破坏或破坏附近的细胞。虽然这可能是癌症治疗等应用中的理想结果，但超声遗传学的研究人员通常希望避免损伤。在一项新的研究中，生物医学工程师发现，通过将微观珠子附着在细胞表面的受体上，他们可以更安全地产生该技术的细胞伸展，钙释放效应。

结果于2017年12月25日在美国国家科学院院刊上线发布。“为了让细胞膜中的离子通道和孔隙打开，你通常必须非常强大且非常快地拉伸，”Duke的Anderson-Rupp机械工程和材料科学教授Pei Zhong说。“但我们发现，将微珠附着在细胞表面可以放大细胞在空化过程中的反应，并产生相同的结果，同时降低细胞损伤的风险。”当力在液体中产生空隙时产生，空化气泡可能足以对船舶螺旋桨造成严重损坏。虽然在医疗过程中产生的空化气泡不是那么强烈，但它们仍然会造成很大的损害。由于它们的速度和随机性，很难研究它们对附近细胞的影响。

这项新研究首次使用了钟氏团队于2015年建立的实验平台来研究声波探测，每次都可以在完全相同的位置可靠地产生串联空化气泡。通过将不同类型的细胞放置在距离气泡不同的距离，研究人员可以开始探索细胞如何反应的细节。对于使用该平台的第一次后续研究，Zhong选择了研究钙信号。“钙信号调节许多重要的细胞功能，如肌肉收缩，神经沟通，基因转录和组织生长，”钟芳芳说，他是钟氏实验室的博士后研究员，也是该研究的第一作者。“以前的研究表明，超声遗传学和声波导致钙反应，可以使神经元起火或促进其他细胞的愈合，所以我们想仔细看看。”

结果表明，空化气泡实际上产生两种类型的钙响应：慢波和快波。但最有趣的是，该研究表明，附着在细胞表面的微珠可以捕获一些气泡的能量，因此它们会拖拽膜的表面。这样可以从较慢，较软的波浪中提供更多的局部变形和更强的钙响应。“这种策略可以在与空化气泡保持安全距离的情况下刺激细胞，”钟说。“这种方法应该使研究人员更容易在人类治疗中安全地使用超声遗传学。”