Индукция оцепенения | SwiftSummit Innovations Inc.

Природный метаболизм, том 5, страницы 789–803 (2023 г.) Процитировать эту статью

19 тысяч доступов

1 Цитаты

987 Альтметрика

Подробности о метриках

Оцепенение — это энергосберегающее состояние, при котором животные резко снижают скорость метаболизма и температуру тела, чтобы выжить в суровых условиях окружающей среды. Здесь мы сообщаем о неинвазивной, точной и безопасной индукции гипотермического и гипометаболического состояния, подобного торпору, у грызунов путем дистанционной транскраниальной ультразвуковой стимуляции в преоптической области гипоталамуса (ПОА). Мы достигаем длительного (>24 ч) состояния, подобного оцепенению, у мышей с помощью замкнутого контура управления ультразвуковой стимуляцией с автоматическим определением температуры тела. Гипотермия и гипометаболизм, вызванные ультразвуком (UIH), запускаются активацией нейронов POA, вовлекают дорсомедиальный гипоталамус как нижележащую область мозга и последующее ингибирование термогенной бурой жировой ткани. Одноядерное секвенирование РНК нейронов POA выявило TRPM2 как чувствительный к ультразвуку ионный канал, нокдаун которого подавляет UIH. Мы также продемонстрировали, что UIH возможен у неторпидного животного, крысы. Наши результаты подтверждают, что UIH является многообещающей технологией неинвазивной и безопасной индукции состояния, подобного оцепенению.

Оцепенение, как и спячка, — это физиологическое состояние, при котором млекопитающие активно подавляют обмен веществ, снижают температуру тела и замедляют другие жизненные процессы, чтобы сохранить энергию и выжить в фатальных условиях и низких температурах окружающей среды1. Концепция индукции гипотермии и гипометаболизма искусственным путем была первоначально предложена в 1960 году как биомедицинское решение для снижения потребления энергии во время длительного полета человека в космос2,3. Торпороподобная гипотермия и гипометаболизм также могут повысить вероятность выживания пациентов в опасных для жизни состояниях (например, сердечном приступе или инсульте) за счет замедления метаболизма и прогрессирования заболевания4.

Неинвазивное и безопасное введение в состояние, подобное оцепенению, считалось научной фантастикой, ограничивавшейся фильмами и романами5,6. Несмотря на несколько десятилетий исследований, эта цель до сих пор не достигнута. Первоначальная концепция предполагала, что спячка регулируется эндогенными веществами крови7, и обширные усилия были направлены на поиск эндогенных веществ, которые вызывают состояние, подобное оцепенению, путем системного подавления метаболизма8,9. Сейчас считается, что оцепенение контролируется центральной нервной системой (ЦНС) для точной координации многочисленных функций10,11,12. Сообщалось, что прямая внутричерепная инъекция фармацевтических агентов, воздействующих на пути ЦНС, вызывала состояние глубокой гипотермии, напоминающее естественную оцепенение13,14. Недавние новаторские исследования выявили несколько популяций нейронов в гипоталамической ПОА, которые регулируют оцепенение и гибернацию у грызунов11,12,15. Генная инженерия этих популяций нейронов для оптогенетических и хемогенетических манипуляций позволила получить важные поведенческие и физиологические особенности оцепенения/гибернации у мышей11,12,15. Хотя эти технологические достижения в создании состояния, подобного оцепенению, являются многообещающими, эти подходы требуют хирургического вмешательства или генной инженерии, что ограничивает широкое применение этих подходов и их перенос на людей.

Ультразвук — единственная доступная форма энергии, которая может неинвазивно проникать в череп и фокусироваться на любом участке мозга с точностью до миллиметра и без ионизирующего излучения16,17. Эти возможности, наряду с безопасностью, портативностью и низкой стоимостью, сделали ультразвук многообещающей технологией нейромодуляции у мелких животных18,19, приматов20,21 и людей16,22, хотя его механизм остается неясным. Здесь мы сообщаем о неинвазивной, точной и безопасной индукции оцепенения у мышей посредством дистанционной ультразвуковой стимуляции ПОА (рис. 1а). Мы обнаружили, что этот UIH связан с ультразвуковой активацией ионного канала TRPM2, экспрессируемого в нейронах POA, связанных с торпором. Мы обнаружили потенциальное участие дорсомедиального гипоталамуса как нижележащей области мозга и бурой жировой ткани как эффекторной ткани в регуляции UIH. Мы также продемонстрировали, что ультразвуковая стимуляция при ПОА успешно вызывала гипотермию у крыс, не торпидных животных.

Tset or off when Tcore ≤ Tset. Core body temperature was recorded for a total duration of 30 h and the feedback-controlled ultrasound procedure continued for 24 h. The results showed that the feedback-controlled UIH maintained the mouse body temperature at 32.95 ± 0.45 °C for approximately 24 h (24.90 ± 0.63 h) (Fig. 3d,e). Mice showed reduced food intake and weight loss with feedback-controlled UIH compared to controls (Fig. 3f). The mouse's body temperature gradually recovered to a normal level (>34 °C) at 54.18 ± 35.56 min after the feedback-controlled UIH ended (Extended Data Fig. 2e). The closed-loop feedback control system reveals the great potential of ultrasound-brain interfacing technology for noninvasive, precise induction of UIH./p> Tset (Tset = 34 °C), the system turned the US on (peak negative acoustic pressure of 1.6 MPa; duty cycle of 50%; pulse repetition frequency of 10 Hz; stimulus duration of 10 s; inter-stimulus interval of 20 s; stimulus number of 6). When Tcore ≤ Tset, the US was off. As mice needed to wear the US transducer for a long duration, we designed a special rotary joint cable connector modified from a 360° rotating slip ring (Adafruit) to allow the US transducer cable freely to rotate as the mouse moved around. The total recording time was 30 h and the mice received feedback-controlled US stimulation for 24 h. Water and food were freely accessible to the mice. To compensate for the extra acoustic attenuation resulting from the bubble formation in the US gel after multiple stimulations, the acoustic pressure was increased by 10% and stimulus number was increased to 8 after 12 h of stimulation. The weights of the mice and food in the cage were measured before and after the experiment./p> (mean + 3 × s.d.) of that before US./p>5% mitochondrial counts were considered to exhibit extensive mitochondrial contamination and were filtered. Cells that had unique feature counts >7,500 were considered as doublets or multiples and were filtered. Cells that had unique feature counts <200 were also filtered. After filtering, all Seurat objects were merged. The ‘LogNormalize’ method with a scale factor of 10,000 was used for normalization. The ‘FindVariableFeatures’ function was used to extract the top 4,000 variable features. Data were scaled according to mitochondrial percent using the ScaleData function. The IEGs could potentially affect the clustering. Therefore, we removed all 139 IEGs58 from the list of feature genes before the following data processing pipeline. Next, principal-component analysis was carried out using the ‘RunPCA’ function. Using the top 40 principal components, the ‘The FindNeighbours’ function and the ‘FindClusters’ were used to identify the initial 34 clusters. Clustering results were visualized using UMAP plots./p> (mean + 3 × s.d.) of the signal before US stimulation. The temperature of the cell culture chamber was monitored using a fiberoptic thermometer. The tip of the fiberoptic thermometer was inserted at a location approximately 1 mm close to the transducer focus to avoid the interference of US wave propagation. For the blocker study, 5 µl antagonist 2-APB (TOCRIS) was added to 500 μl cell culture solution to a final concentration of 30 μM 1 min before the US stimulation./p>