FestivalNauki.ru
En Ru
cентябрь-ноябрь 2019
176 городов
September – November 2019
312 cities
11-13 октября 2019
МГУ | Экспоцентр | 90+ площадок
14–16 октября 2016
Центральная региональная площадка
28–30 октября 2016
ИРНИТУ, Сибэскпоцентр
14–15 октября 2016
Центральная региональная площадка
23 сентября - 8 октября 2017
«ДонЭкспоцентр», ДГТУ
ноябрь-декабрь 2018
МВДЦ «Сибирь»,
Вузы и научные площадки города
6-8 октября 2017
Самарский университет
27-29 октября
Кампус ДВФУ, ВГУЭС
30 сентября - 1 октября
Ледовый каток «Родные города»
21-22 сентября 2018 года
ВКК "Белэкспоцентр"
9-10 ноября 2018 года
Мурманский областной Дворец Культуры
21-22 сентября 2019 года
22-23 октября 2019 года
29-30 ноября 2019 года
7-8 сентября 2019 года
27-29 сентября 2019 года
4-5 октября 2019 года
10-12 октября 2019 года

Физики МГУ предложили новый метод стимуляции нейронов с клеточным пространственным разрешением методами термогенетики

Ученые кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ продемонстрировали комплексную технику термогенетических исследований индивидуальных нейронов в культурах клеток и животных с использованием инфракрасного лазерного излучения. О своем исследовании сотрудники факультета рассказали в статье, которая была опубликована в журнале Nature.

 

(A) Схема поведенческого эксперимента с рыбкой Danio rerio, включающего локальный нагрев трансфецированных Rohon-Beard нейронов инфракрасным лазерным излучением и запись реакции рыбки быстрой камерой. (B) Термометрическое устройство на основе гибридного оптического/СВЧ зонда с квантовым сенсором — микрочастица алмаза с дефектами азот-вакансия.

«Результат наших исследований предоставляет необходимый набор методик и инструментов, позволяющий проводить исследования в области нейронаук с помощью термогенетических методов. Именно термогенетика представляет альтернативу широко распространенным в настоящее время оптогенетическим исследованиям. Идеологически термогенетика и оптогенетика сходны — оба метода требуют встраивание мембранных каналов в исследуемую клетку, активация которых приводит к стимулировании физиологического отклика клетки, например, генерации потенциала действия нейроном. Используемые каналы в оптогенетике (например, канал-родопсин ChR) обладают хромофором, поглощение фотона видимого излучения которым приводит к активации канала. Термоканалы же чувствительны к локальной температуре, а не к энергии кванта света. Поэтому преимущество термогенетики над оптогенетикой состоит в возможности использовать излучение инфракрасного спектрального диапазона. Свет в инфракрасной области спектра рассеивается и поглощается биотканями в значительно меньше степени, чем в видимой, что потенциально позволит неинвазивно стимулировать клетки, расположенные в глубоких слоях. Также инфракрасное излучение обладает меньшей фототоксичностью, чем используемый в оптогенетике свет видимого диапазона», — рассказал соавтор статьи, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ Александр Ланин.

 

В работе демонстрируется методика быстрой, надежной и воспроизводимой адресной активации одиночных клеток в культуре и живом организме (in vitro и in vivo), экспрессирующих генетически встроенные термочувствительные каналы семейства TRPA1 с помощью перестраиваемого по длине волны инфракрасного лазерного излучения. В ходе работы были использованы чувствительные к теплу мембранные каналы caTRPA1 техасской гремучей змеи Crotalus atrox, активирующиеся при превышении пороговой температуры 28°С. Исследования показали, что такие термочувствительные каналы могут быть успешно экспрессированы нейронами рыбы и теплокровных животных.

 

Покадровая развертка реакции Danio rerio на лазерный импульс длительностью 250 мс. (A) Локальный нагрев нейрона (лазерный пучок показан красной окружностью), (B) ответная реакция в виде удара хвостом.

«Управление и мониторинг локальной температурой в экспериментах с адресной активацией термочувствительных клеток являются основной задачей и особенностью наших исследований. Локальный нагрев клеток был реализован при помощи инфракрасного лазерного излучение. Правильный подбор параметров излучения (длина волны и энергия) позволяет активировать термочувствительные клетки в культуре и в живой рыбке Danio rerio. Эксперименты по термогенетической активации проводились с живыми трансфецироваными клетками Human Embryonic Kidney (HEK-293), HeLa, нейронами и эмбрионами рыбок Danio rerio. Клеточные культуры подвергались генной модификации с помощью векторов, которые встраиваясь в ДНК позволяют экспрессировать кальциевый индикатор GCaMP6s и термочувствительные каналы caTRPA1. Отклик биологической системы на лазерный нагрев полностью контролировался за счет оптической визуализации кальциевых токов и электрофизиологии. Одной из основных особенностей работы является создание и использование квантового термометрического зонда на основе волоконно-оптического/СВЧ волновода с квантовым сенсором (микрочастицей алмаза с дефектами азот-вакансия (NV-центрами), закрепленной на торце волнвода) для адресного измерения температуры с высоким (клеточным) пространственным разрешением. Уникальные свойства реализованного зонда имеют большой потенциал для задач термогенетики, поскольку позволяет не только измерять температуру биологических объектов с высокой точностью и микронным (вплоть до субклеточного) пространственным разрешением, но и локально изменять температуру, тем самым реализуя возможность управления функциональной активностью термочувствительных клеток», — пояснил ученый.

 

В работе была реализована серия поведенческих экспериментов на рыбке Danio rerio, в нейронах которой была осуществлена экспрессия термочувствительных каналов caTRPA1. Активация одного из группы этих нейронов (Rohon-Beard), расположенных на спинке рыбы, приводит к реакции убегания, проявляющаяся в резком ударе хвоста. Проведение флуоресцентной микроскопии позволило находить успешно трансфецированные нейроны, локальный нагрев которых осуществлялся импульсом инфракрасного излучения на длине волны 1342 нм длительностью 250 мс. Импульсный нагрев Rohon-Beard нейронов сопровождался ударом хвоста у трансфецированной рыбы, тогда как контрольная рыба (не обладающая каналами caTRPA1) не реагировала на лазерный нагрев. 

 

 

Работа представляет результаты комплексного совместного исследования российских ученых из МГУ имени М.В.Ломоносова, Института биоорганической химии им (ИБХ РАН), Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии (ИВНД и НФ РАН).

 

 

Справочно: 
Термогенетика — новая перспективная междисциплинарная область науки, суть которой заключается в принудительной и целенаправленной температурной активации физиологической деятельности клеток, в частности нейронов, за счет использования термочувствительных катионных каналов (TRP), генетически встроенных в мембраны этих клеток. До недавнего времени широкое применение этой техники было ограничено невысокой чувствительности известных термоканалов, а также низкого пространственно-временного разрешения методики их активации при стандартном нагреве среды или использовании химических агентов. Термогенетика обладает большими перспективами в области управления физиологической активностью клеток. Методы термогенетики не привязаны к спектрам поглощения хромофоров, лежащих в видимой области спектра, как это реализовано в оптогенетике. В связи с этим возникает возможность выбирать центральную длину волны лазерного излучения в окне прозрачности биологической ткани для осуществления стимуляции глубоких слоев. Используемые нами термочувствительные каналы caTRPA1 змеи не являются селективными по ионам, поэтому обладают проводимостью на несколько порядков превышающую проводимость популярных каналов семейства канал-родопсин ChR оптогенетики. Каналы caTRPA1 осуществляют в основном ток катионов кальция через мембрану, что позволяет управлять распространенной в живых организмах системой сигналинга, основанной на концентрации катионов кальция. На сегодняшний момент с этой задачей методы оптогенетики справляются плохо. На практике это может быть реализовано как малоинвазивная стимуляция тканей (нейронов, клеток сердца, клеток надпочечников и т.д.) для активации или ингибирования физиологического ответа клеток.

 

Фото: Двухцветная конфокальная микроскопия трансфецированного нейрона мыши, показывающая распределение термочувствительных каналов в мембране клетки (A) и наличие в теле клетки сенсора катионов кальция (B). (C) Совмещенные изображения

 

 

Добавьте свой комментарий

Plain text

  • Переносы строк и абзацы формируются автоматически
  • Разрешённые HTML-теги: <p> <br>
LiveJournal
Регистрация

Новости в фейсбук

Случайные статьи

Диагноз в качестве сюжета. Пять историй о психических болезнях, ставших знаменитыми на весь мир (ЧАСТЬ 2)

Сбывшиеся предсказания фантастов (Часть 2)

Научные ереси Фримена Дайсона

Фримен Дайсон - один из наиболее ярких и парадоксальных мыслителей нашего времени. Это помимо того, что он еще и крупный ученый, один из основателей квантовой электродинамики.

Марс или Туда и обратно

Уникальная капсула для возврата образцов марсианского грунта и воздуха на Землю была создана и испытана специалистами Европейского космического агентства.

Школьники из 30 стран примут участие в Менделеевской олимпиаде по химии

Школьники из 30 стран примут участие в Менделеевской олимпиаде по химии