機械感受性イオンチャネルPiezo1およびPiezo2が齧歯類における経頭蓋集束超音波による脳運動皮質刺激への反応を調節する

学術背景

経頭蓋集束超音波（Transcranial Focused Ultrasound，TFUS）神経調節は、非侵襲性で深部脳刺激技術の一つであり、その高精度と安全性から神経回路研究や脳疾患治療において大きな可能性を示しています。しかし、経頭蓋集束超音波の具体的な作用メカニズムはまだ完全には解明されていません。既存の研究では、超音波の機械的効果、特に音響放射力（Acoustic Radiation Force，ARF）が機械感受性イオンチャネルに働きかけることで、ニューロンの活動に影響を与える可能性が示唆されています。そのため、これらのイオンチャネルがTFUS神経調節において果たす役割を明確にすることは、新しい脳疾患治療技術の開発において重要な意義を持ちます。

論文の出所

本研究は、西安交通大学の生命科学技術学院生物医学工学科および西安交通大学基礎医学研究院心血管研究センターに所属するTianqi Xu、Ying Zhang、Dapeng Li、Chunhao Lai、Shengpeng Wang、およびSiyuan Zhangらによって共同で執筆されました。この論文はIEEE Transactions on Biomedical Engineering誌で受理され、2024年に正式に発表予定です。

研究詳細プロセス

研究目標

本研究は、小型齧歯類の脳皮質における機械感受性イオンチャネルPiezo1およびPiezo2の役割を探ることを目的としています。まず、研究チームは小型齧歯類の脳皮質においてPiezo1およびPiezo2をそれぞれノックダウンし、TFUS刺激下で異なるグループの運動反応を比較しました。さらに、c-fos免疫蛍光を用いて超音波による神経活動を観察しました。

研究手順と実験デザイン

1. ウイルスの準備と体内定位注射： 3種類のAAV9（アデノ随伴ウイルス）ベクターを使用し、それぞれPiezo1ノックダウン、Piezo2ノックダウンおよびコントロールベクターとしました。定位注射法を用いてウイルスを小型齧歯類の運動皮質領域に注入しました。各マウス（全78匹、すべて8週齢の雄性C57BL/6Jマウス）のウイルス注射部位は前囟（AP 0.50mm, ML -1.00mm, DV 1.00mm）でした。注射後3週でその後のTFUS刺激と検出を行いました。

2. 発現分析： RT-PCR分析法を用いてPiezo1およびPiezo2 mRNAのノックダウン効果を検証しました。実験結果は、Piezo1およびPiezo2 mRNAの発現がノックダウングループで顕著に減少することを示しました。

3. 超音波神経調節プロトコル： 周波数620 kHzの単一凹面換能器を使用し、パルス持続時間2ms、周波数250Hz、総音響刺激時間400msとしました。自設計の二重チャンネル任意波形発生器およびパワー増幅器を用いて超音波パルスを発生させました。各実験グループに対して20回の超音波刺激を行い、運動ポテンシャルデータを記録しました。

4. 免疫蛍光および生物安全性評価： c-fos免疫蛍光マーカーを用いて神経活動を観察しました。また、H&E染色、Nissl染色およびTUNEL染色を行い、Piezo1またはPiezo2ノックダウン後の組織構造の完全性および細胞の安全性を評価しました。

データ処理およびアルゴリズム

収集したポテンシャルデータはMATLABソフトウェアを用いて処理しました。成功した運動反応は、背景ノイズ平均値の三倍以上のピーク電位幅としました。統計パッケージGraphPad Prismを用いて統計、t検定および分散分析を行いました。

主要な研究結果

1. 運動反応の成功率と遅延時間： コントロールウイルスを注射したC57BL/6Jマウスの運動反応成功率は85.69% ± 10.23%であり、Piezo1およびPiezo2ノックダウングループはそれぞれ57.63% ± 14.62% および 73.71% ± 13.10%でした。コントロールグループと比較して、ノックダウングループの運動反応は顕著に減少しました。また、Piezo1およびPiezo2ノックダウングループのピーク時間はそれぞれ0.62 ± 0.19秒および0.60 ± 0.13秒であり、コントロールグループの0.44 ± 0.12秒に対して顕著に高かった。この結果は、ウイルス注射自体は実験結果に干渉しない一方で、Piezo1およびPiezo2の欠失が皮質領域の運動反応の成功率および反応時間に影響することを示しています。

2. c-fos免疫蛍光結果： 各実験グループの音響刺激後のc-fos発現は音響刺激なしのグループより著しく高かった。コントロールグループのc-fos発現量はPiezo1およびPiezo2ノックダウングループよりも著しく高く、それぞれp = 0.0105およびp = 0.0030でした。これにより、PiezoチャネルがTFUSによって誘導される神経活動の重要な調節役であることが示されました。

3. 生物安全性： H&E、TUNELおよびNissl染色を通じて、Piezoのノックダウンの有無にかかわらず、TFUSに曝露された小型齧歯類の脳組織および細胞には構造的損傷や細胞アポトーシスが見られず、TFUSの安全性を検証しました。

結論と意義

本研究は、Piezo1およびPiezo2機械感受性イオンチャネルがTFUS神経調節において重要な役割を果たすことを確認しました。これらのチャネルのノックダウンによって運動反応の成功率が顕著に低下し、反応時間が遅延し、TFUS誘導のc-fos発現も顕著に低下しました。本研究結果は、非侵襲性脳刺激技術のメカニズムへの理解を深め、脳疾患の特定治療に新たなターゲットと方向性を提供しました。

研究のハイライト

1. 初めて、Piezo1およびPiezo2がTFUS神経調節における重要な役割を果たすことを明確にしました。
2. TFUSの非熱効果を機械効果を通じて機械感受性イオンチャネルに働きかけることで実現していることを系統的に検証しました。
3. Piezo1およびPiezo2が脳皮質の運動反応に果たす機能を提案しました。 脳疾患の治療に新しい可能性を提供しました。

本研究により、TFUSの動作メカニズムを明らかにしただけでなく、神経調節と脳機能の基本メカニズムの理解を深めるための科学的根拠を提供し、脳疾患の治療方法の開発に新たな研究の方向性を示しました。