Induzione di un torpore | SwiftSummit Innovations Inc.

Nature Metabolism volume 5, pagine 789–803 (2023) Citare questo articolo

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Il torpore è uno stato di conservazione dell’energia in cui gli animali riducono drasticamente il loro tasso metabolico e la temperatura corporea per sopravvivere a condizioni ambientali difficili. Qui, riportiamo l'induzione non invasiva, precisa e sicura di uno stato ipotermico e ipometabolico simile al torpore nei roditori mediante stimolazione ultrasonica transcranica remota nell'area preottica dell'ipotalamo (POA). Raggiungiamo uno stato simile al torpore di lunga durata (>24 ore) nei topi tramite il controllo di feedback a circuito chiuso della stimolazione ultrasonica con rilevamento automatizzato della temperatura corporea. L'ipotermia e l'ipometabolismo indotti dagli ultrasuoni (UIH) sono innescati dall'attivazione dei neuroni POA, coinvolgono l'ipotalamo dorsomediale come regione cerebrale a valle e la successiva inibizione del tessuto adiposo bruno termogenico. Il sequenziamento dell'RNA a nucleo singolo dei neuroni POA rivela TRPM2 come un canale ionico sensibile agli ultrasuoni, il cui abbattimento sopprime l'UIH. Dimostriamo anche che l'UIH è fattibile in un animale non torpido, il ratto. I nostri risultati stabiliscono che l’UIH è una tecnologia promettente per l’induzione non invasiva e sicura di uno stato simile al torpore.

Il torpore, come l'ibernazione, è uno stato fisiologico in cui i mammiferi sopprimono attivamente il metabolismo, riducono la temperatura corporea e rallentano altri processi vitali per risparmiare energia e sopravvivere a condizioni fatali e temperature ambientali fredde1. Il concetto di indurre ipotermia simile al torpore e ipometabolismo con mezzi artificiali è stato inizialmente proposto nel 1960 come soluzione biomedica per ridurre il consumo di energia durante il volo spaziale umano a lungo termine2,3. L'ipotermia simile al torpore e l'ipometabolismo potrebbero anche aumentare la probabilità di sopravvivenza dei pazienti in condizioni potenzialmente letali (ad esempio, infarto o ictus) rallentando il metabolismo e la progressione della malattia4.

L'induzione non invasiva e sicura di uno stato simile al torpore è stata considerata fantascienza limitata a film e romanzi5,6. Nonostante diversi decenni di ricerca, questo obiettivo non è ancora stato raggiunto. Il concetto originale proponeva che l'ibernazione fosse regolata da sostanze endogene del sangue7 e grandi sforzi sono stati dedicati alla ricerca di sostanze endogene che inducono uno stato simile al torpore attraverso la soppressione sistemica del metabolismo8,9. Oggi si ritiene che il torpore sia controllato dal sistema nervoso centrale (SNC) per coordinare con precisione numerose funzioni10,11,12. È stato riferito che l'iniezione intracranica diretta di agenti farmaceutici mirati alle vie del sistema nervoso centrale induceva uno stato ipotermico profondo simile al torpore naturale13,14. Recenti studi innovativi hanno identificato diverse popolazioni neuronali nella POA ipotalamica che regolano il torpore e l'ibernazione nei roditori11,12,15. L'ingegneria genetica di queste popolazioni neuronali per la manipolazione optogenetica e chemiogenetica ha ottenuto caratteristiche comportamentali e fisiologiche critiche di torpore/ibernazione nei topi11,12,15. Sebbene questi progressi tecnologici nell’indurre uno stato simile al torpore siano promettenti, questi approcci richiedono un intervento chirurgico o l’ingegneria genetica, limitando l’ampia applicazione di questi approcci e la loro traduzione negli esseri umani.

Gli ultrasuoni sono l'unica forma di energia disponibile in grado di penetrare in modo non invasivo nel cranio e di concentrarsi su qualsiasi punto del cervello con precisione millimetrica e senza radiazioni ionizzanti16,17. Queste capacità, insieme alla sicurezza, alla portabilità e al basso costo, hanno reso gli ultrasuoni una tecnologia promettente per la neuromodulazione nei piccoli animali18,19, nei primati non umani20,21 e negli esseri umani16,22, sebbene il suo meccanismo rimanga sfuggente. Qui, riportiamo l'induzione non invasiva, precisa e sicura di uno stato simile al torpore nei topi attraverso la stimolazione ultrasonica remota al POA (Fig. 1a). Abbiamo scoperto che questo UIH era associato all'attivazione ultrasonica del canale ionico TRPM2 espresso nei neuroni POA associati al torpore. Abbiamo scoperto il potenziale coinvolgimento dell'ipotalamo dorsomediale come regione cerebrale a valle e del tessuto adiposo bruno come tessuto effettore nella regolazione dell'UIH. Abbiamo anche dimostrato che la stimolazione ultrasonica al POA ha indotto con successo ipotermia nei ratti, un animale non torpido.

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>