پژوهشگران دانشگاه استنفورد روشی آزمایشی توسعه داده‌اند که با ترکیب امواج فراصوت، نانوذرات نورزا و یک ابزار ویرایش ژن حساس به نور، امکان تغییر هدفمند ژن‌ها را در ناحیه‌ای مشخص از مغز موش فراهم می‌کند؛ رویکردی که در آینده می‌تواند به درمان‌های عصبی دقیق‌تر و کم‌تهاجمی‌تر کمک کند.
فناوری‌هایی مانند کریسپر (CRISPR) در سال‌های اخیر امکان دست‌کاری هدفمند توالی‌های ژنتیکی را فراهم کرده‌اند. با این حال، یکی از چالش‌های مهم در کاربردهای درمانی این فناوری، کنترل مکانی فعالیت آن است. به بیان ساده، ممکن است پژوهشگر بخواهد یک ژن مشخص را در بخشی از دستگاه عصبی خاموش کند، اما مداخله ژنتیکی در نقاط دیگر بدن پیامدهای ناخواسته‌ای داشته باشد.
برای مثال، در برخی رویکردهای آزمایشی مقابله با دردهای عصبی، خاموش‌کردن ژن‌های مرتبط با کانال‌های یونی سدیم می‌تواند انتقال پیام درد را کاهش دهد. اما اگر این تغییر در بخش‌های گسترده‌ای از بدن رخ دهد، احتمال دارد حس طبیعی نیز مختل شود. بنابراین، توانایی محدودکردن ویرایش ژن به یک ناحیه مشخص می‌تواند تفاوت مهمی در ایمنی و کارآمدی درمان ایجاد کند.
البته رساندن ابزارهای ویرایش ژن به یک بافت خاص، بدون دست‌کاری سایر بخش‌ها، کار ساده‌ای نیست. روش‌های موضعی موجود ممکن است به تزریق مستقیم، کاشت تجهیزات یا سازوکارهای پیچیده انتقال مواد نیاز داشته باشند. گروهی از پژوهشگران دانشگاه استنفورد اکنون راه دیگری را بررسی کرده‌اند: استفاده از فراصوت برای فعال‌کردن یک منبع نور در عمق بافت.
هسته اصلی این روش، نانوذراتی است که در برابر امواج فراصوت متمرکز نور منتشر می‌کنند. این ذرات قابلیت حرکت در جریان خون را دارند و می‌توانند به بافت‌های مختلف بدن برسند. در حالت عادی، قرار نیست به‌طور پیوسته نور تولید کنند؛ بلکه تاباندن فراصوت به یک ناحیه مشخص، آن‌ها را در همان محدوده تحریک می‌کند.
انتخاب فراصوت یک دلیل فیزیکی مهم دارد. نور مرئی و بسیاری از طول‌موج‌های نوری در بافت‌های زیستی به‌سرعت پراکنده یا جذب می‌شوند و رسیدن آن‌ها به ساختارهای عمیق، به‌ویژه در مغز، دشوار است. در مقابل، امواج فراصوت می‌توانند به عمق بیشتری از بدن نفوذ کنند و با متمرکزشدن در یک ناحیه، تحریک موضعی ایجاد کنند.
در این سامانه، فراصوت نقش یک فرمان از بیرون بدن را بر عهده دارد؛ نانوذرات در محل هدف نور تولید می‌کنند و این نور، ابزار زیستی حساس به نور را فعال می‌سازد. به این ترتیب، پژوهشگران تلاش کرده‌اند محدودیت نفوذ نور را با استفاده از قابلیت نفوذ فراصوت دور بزنند.
ترکیب این دو فناوری به‌تنهایی کافی نبود. ابزار ویرایش ژنی که پیش‌تر در آزمایشگاه مایکل لین توسعه یافته بود، به نور پاسخ می‌داد، اما ابعاد آن برای قرارگرفتن در یک حامل ویروسی استاندارد بیش از حد بزرگ بود. حامل‌های ویروسی یکی از روش‌های رایج انتقال اجزای مولکولی ابزارهای ویرایش ژن به سلول‌ها هستند.
از سوی دیگر، نانوذرات گروه گوسونگ هونگ باید به‌اندازه کافی نور تولید می‌کردند تا بتوانند ویرایشگر را فعال کنند؛ بدون آنکه لازم باشد از شدت بالای فراصوت استفاده شود. شدت بیش از اندازه امواج می‌تواند به بافت آسیب برساند و در نتیجه، مزیت غیرتهاجمی‌بودن روش را زیر سؤال ببرد.
تیم پژوهشی برای حل این دو مشکل، دو بخش سامانه را به‌طور هم‌زمان بهبود داد:
ویرایشگر کوچک‌تر: داوسون سونگ و همکارانش از نسخه‌ای کوچک‌تر از ابزار ویرایش ژن موسوم به Cas12f استفاده کردند و حساسیت آن به نور را نیز افزایش دادند. اندازه کوچک‌تر، انتقال این ابزار در قالب یک حامل ویروسی را امکان‌پذیرتر می‌کند.
نانوذرات نورزای کارآمدتر: گروه هونگ ویژگی نانوذرات را به‌گونه‌ای بهبود داد که با تحریک فراصوت، نور بیشتری تولید کنند. در نتیجه برای فعال‌سازی ویرایشگر، به توان کمتری از امواج صوتی نیاز بود.
در نسخه نهایی، ابتدا ابزار Cas12f به سلول‌ها منتقل می‌شود و برای هدف‌گیری یک ژن مشخص طراحی شده است. سپس فراصوت متمرکز به ناحیه موردنظر تابانده می‌شود. نانوذرات حاضر در آن محدوده نور منتشر می‌کنند و این نور، ویرایشگر حساس به نور را فعال می‌سازد تا تغییر ژنتیکی موردنظر انجام شود.
برای ارزیابی دقت مکانی روش، پژوهشگران از موش‌هایی استفاده کردند که پیش‌تر با دو تغییر ژنتیکی مهندسی شده بودند. یکی از این تغییرات باعث می‌شد بافت‌ها قابلیت درخشش داشته باشند؛ تغییر دوم مانند یک کلید توقف، مانع بروز این ویژگی می‌شد.
در چنین مدلی، اگر ابزار ویرایش ژن بتواند سیگنال توقف را از کار بیندازد، بافت هدف شروع به درخشش می‌کند. پژوهشگران فراصوت را به یک نیم‌کره مغز موش هدایت کردند. نتیجه این بود که نیم‌کره تحت تابش نورانی شد، در حالی که نیم‌کره دیگر همچنان تاریک باقی ماند.
این مشاهده نشان داد که سامانه می‌تواند فعالیت ویرایش ژن را به یک محدوده مشخص در مغز محدود کند؛ دست‌کم در شرایط آزمایش‌شده و با استفاده از نشانگر ژنتیکی موردنظر. اهمیت نتیجه در این است که کنترل محل فعال‌شدن ویرایشگر، دیگر صرفاً به محل تزریق یا انتقال ابزار وابسته نیست و می‌توان آن را با هدف‌گیری خارجی فراصوت نیز تنظیم کرد.
یکی از کاربردهای بالقوه این فناوری، درمان هدفمند دردهای نوروپاتیک یا عصبی است. در برخی پژوهش‌های حیوانی، تغییر فعالیت ژن‌های مرتبط با کانال‌های یونی سدیم به‌عنوان راهی برای کاهش انتقال پیام درد بررسی شده است. اما اگر این تغییر در سراسر بدن رخ دهد، ممکن است پیامدهایی مانند بی‌حسی گسترده ایجاد کند.
روش جدید از نظر مفهومی می‌تواند امکان مداخله محدود به بخشی از دستگاه عصبی را فراهم کند که در انتقال درد نقش دارد. در چنین سناریویی، هدف آن است که فعالیت ژن مرتبط با درد در محل موردنظر تغییر کند، بدون آنکه عملکرد طبیعی سایر نواحی عصبی به همان شکل تحت تأثیر قرار گیرد.
کاربرد دیگر، پژوهش‌های علوم اعصاب است. بسیاری از ژن‌ها در بخش‌های مختلف مغز نقش‌های متفاوتی دارند. اگر بتوان فعالیت یک ژن را در یک مدار عصبی مشخص تغییر داد و سایر مناطق را دست‌نخورده باقی گذاشت، بررسی رابطه میان ژن‌ها، مدارهای عصبی و رفتار با دقت بیشتری امکان‌پذیر می‌شود.
پژوهشگران در حال بررسی نسخه‌ای دیگر از این فناوری هستند که به‌جای تغییر دائمی توالی DNA، بتواند فعالیت ژن‌ها را به‌صورت موقت افزایش یا کاهش دهد. این تمایز مهم است: ویرایش مستقیم DNA ممکن است تغییری پایدار ایجاد کند، در حالی که تنظیم موقت فعالیت ژن می‌تواند امکان روشن و خاموش‌کردن یک فرایند زیستی را بدون تغییر در توالی ژنتیکی فراهم کند.
هم‌زمان، گروه توسعه‌دهنده نانوذرات در حال ساخت یک ابزار فراصوت پوشیدنی است. هدف آن است که بتوان فعالیت ژن‌ها را در حیوانی که آزادانه حرکت می‌کند کنترل کرد و پیامدهای این مداخله را بر رفتار آن مشاهده کرد. چنین قابلیتی می‌تواند محدودیت آزمایش‌هایی را کاهش دهد که در آن‌ها حیوان باید برای تحریک فراصوت در موقعیت ثابتی قرار بگیرد.
با وجود اهمیت این دستاورد، نباید آن را با یک روش درمانی آماده برای استفاده انسانی اشتباه گرفت. نتیجه اصلی پژوهش، اثبات امکان کنترل مکانی ویرایش ژن در مغز موش است؛ نه درمان قطعی درد عصبی یا سایر بیماری‌های مغزی.
پیش از کاربرد بالینی، چند مسئله اساسی باید بررسی شود: ایمنی بلندمدت نانوذرات در بدن، نحوه توزیع و دفع آن‌ها، دقت واقعی محدوده تحریک‌شده، احتمال اثرگذاری ناخواسته بر بافت‌های مجاور و کنترل میزان آسیب احتمالی ناشی از فراصوت. همچنین باید مشخص شود که انتقال ویرایشگر به سلول‌های هدف در بافت‌های انسانی با چه بازده و محدودیت‌هایی همراه خواهد بود.
از سوی دیگر، کنترل مکانی فعال‌شدن ویرایشگر لزوماً به معنای کنترل کامل تمام پیامدهای زیستی آن نیست. حتی اگر ابزار فقط در یک ناحیه فعال شود، باید احتمال تغییرات ناخواسته ژنتیکی و اثرات ثانویه آن نیز به‌طور مستقل ارزیابی شود.
اهمیت کار استنفورد بیش از آنکه در ارائه یک درمان فوری باشد، در معرفی یک معماری تازه برای کنترل ابزارهای زیستی است: فراصوت می‌تواند فرمان را از بیرون بدن به عمق بافت برساند، نانوذرات آن را به نور تبدیل کنند و نور، فعالیت یک ابزار مولکولی را در محل هدف آغاز کند. اگر این زنجیره از نظر ایمنی، دقت و قابلیت تکرار به بلوغ برسد، می‌تواند راه را برای نسل تازه‌ای از مداخلات ژنتیکی موضعی هموار کند.
