L型カルシウムチャネルが培養海馬ニューロンにおける低強度パルス超音波(LIPUS)の興奮作用を調節する

背景

近年、超音波刺激は非侵襲的技術として体内外のニューロン活動を調節するために広く応用されています。しかし、低強度パルス超音波(LIPUS)が誘導する神経調節効果の潜在的メカニズムはまだ不明です。本研究は、LIPUSが海馬ニューロンの自発活動と細胞内カルシウム(Ca2+)恒常性に与える興奮効果を研究することで、このメカニズムを解明することを目的としています。研究により、LIPUSがL型カルシウムチャネル(LTCCs)を通じて細胞内Ca2+濃度を増加させ、CaMKII-CREBパスウェイなどのCa2+依存性シグナル経路を活性化し、遺伝子転写とタンパク質発現を調節することが明らかになりました。

研究ソース

本論文はFan Wen-Yongらの研究チームによって執筆され、著者は復旦大学生命科学学院生理学・神経生物学部門、同済大学物理学部音響研究所、浙江省人民病院などの機関に所属しています。論文は2024年3月にNeuroscience Bulletinでオンライン発表されました。

研究プロセス

1. 実験設定

研究チームはLIPUS刺激装置を構築し、ホールセルパッチクランプ記録とCa2+イメージング技術を組み合わせて、培養海馬ニューロンを刺激し観察しました。LIPUSは周波数1 MHz、パルス繰り返し周波数0.3 Hz、デューティサイクル10%で使用されました。実験には電気生理学実験、Ca2+イメージング実験、タンパク質およびmRNA発現実験が含まれ、異なるサイズの圧電トランスデューサー(16 mmと25 mm)が使用されました。

2. 海馬ニューロン培養

実験には生後1-2日のSprague Dawleyラットの海馬ニューロンを使用し、細胞分離と培養を行いました。培養液はNeurobasal Aに1% B27、1%グルタミン、1%ペニシリン・ストレプトマイシンを補充したものを使用しました。

3. Ca2+イメージング

細胞内Ca2+濃度のリアルタイムな変化を監視するために、Ca2+プローブFura-2-AMを使用しました。実験により、LIPUS刺激が細胞内Ca2+濃度を有意に増加させ、主にCa2+の流入によるものであり、貯蔵されたCa2+の放出によるものではないことが示されました。

4. 電気生理学実験

LIPUSは海馬ニューロンの自発活動電位(sAP)と自発興奮性シナプス電流(sEPSC)の頻度と振幅を有意に増加させました。これらの現象は10分以上持続し、LIPUSが短時間でニューロンに強い興奮作用を持つことを示しています。

5. タンパク質とmRNA発現

Western blotとPCR実験を通じて、LIPUSがCa2+依存性シグナル経路(CaMKIIαやCREBなど)に与える影響を分析しました。結果は、LIPUSがリン酸化CaMKIIαと核内移行CREBを増加させたことを示しましたが、CaV1.2とCaV1.3タンパク質およびそのmRNAの発現レベルは24時間以内に顕著な変化を示しませんでした。

研究結果

1. LIPUSが自発的ニューロン活動を刺激

LIPUS刺激は海馬ニューロンの自発活動電位と自発興奮性シナプス電流の頻度および振幅を有意に増加させました。このメカニズムはシナプス結合間の強化された信号伝達に関連している可能性があり、超音波がニューロン間の連結性を強化できることを示しています。

2. LTCCsを介したカルシウムイオンの流入

LIPUSはLTCCsを通じてニューロン内のCa2+濃度を増加させ、LTCCsの電気生理学的特性を著しく変化させました。これには活性化電位の過分極化と不活性化電位の脱分極化が含まれます。これらの変化は、LIPUSがこれらのチャネルを通じてニューロンの興奮性を増加させることを示しています。

3. カルシウム依存性シグナル経路の活性化

LIPUSはLTCCsを介したCa2+流入の増加により、CaMKII-CREB経路を活性化しました。in vitro実験により、LIPUSがリン酸化CaMKIIαを増加させ、CREBの核内移行を通じて、ニューロンが長時間高い興奮レベルを維持することが確認されました。

4. LIPUSのLTCCsへの長期的影響

LIPUSはカルシウムチャネルの機能を著しく変化させましたが、24時間以内にLTCCsのmRNAとタンパク質発現レベルには顕著な影響を与えませんでした。これは、LIPUSが主にチャネルの活性を調節することで神経興奮を実現し、チャネルの数を変化させるのではないことを示唆しています。

結論

本研究は初めて、低強度パルス超音波がLTCCsを通じて海馬ニューロン内のCa2+流入を調節し、CaMKII-CREBシグナル経路を活性化するメカニズムを明らかにしました。この発見は、超音波技術の神経調節およびその臨床応用において重要な価値を持っています。

研究のハイライト

本研究のハイライトは、LIPUSがLTCCsを通じてニューロン内のCa2+流入を増加させる具体的なメカニズムを明らかにし、LIPUSがCaMKII-CREBシグナル経路を活性化する効果を初めて証明したことです。本論文は、将来の超音波技術の神経調節への応用に理論的基礎と実験データのサポートを提供しています。

意義と価値

LIPUSは非侵襲的技術として、神経科学研究と臨床応用における潜在的可能性が次第に明らかになってきています。本研究は、超音波がニューロン調節に与える具体的なメカニズムの理解を助けるだけでなく、将来の新しい神経調節技術の開発にも理論的根拠を提供しています。さらに、LIPUSはパーキンソン病や脳卒中などの神経変性疾患の治療においても広範な応用の見通しがあります。

本研究を通じて、LIPUS技術のさらなる発展と応用を促進し、神経科学研究と臨床治療に新しいアイデアと方法を提供することができます。