혼미의 유도 | SwiftSummit Innovations Inc.

Nature Metabolism 5권, 789~803페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

Torpor은 동물이 가혹한 환경 조건에서 생존하기 위해 대사율과 체온을 극적으로 낮추는 에너지 보존 상태입니다. 여기에서 우리는 시상하부 시신경 전 영역(POA)에서 원격 경두개 초음파 자극에 의해 설치류에서 혼면과 같은 저체온 및 저대사 상태의 비침습적이고 정확하며 안전한 유도를 보고합니다. 우리는 체온의 자동 감지를 통해 초음파 자극의 폐쇄 루프 피드백 제어를 통해 마우스에서 오래 지속되는(>24시간) 무기력 상태를 달성합니다. 초음파로 유발된 저체온증 및 대사저하증(UIH)은 POA 뉴런의 활성화에 의해 촉발되며, 하류 뇌 영역인 배내측 시상하부와 열 발생 갈색 지방 조직의 후속 억제를 포함합니다. POA 뉴런의 단일핵 RNA 시퀀싱은 TRPM2가 초음파에 민감한 이온 채널로 밝혀졌으며, 이 채널의 녹다운은 UIH를 억제합니다. 우리는 또한 UIH가 멍청하지 않은 동물인 쥐에서 실현 가능하다는 것을 입증합니다. 우리의 연구 결과는 UIH를 무기력 상태의 비침습적이고 안전한 유도를 위한 유망한 기술로 확립했습니다.

동면과 마찬가지로 혼미(Torpor)는 포유동물이 적극적으로 신진대사를 억제하고 체온을 낮추며 에너지를 보존하고 치명적인 조건과 추운 환경 온도에서 생존하기 위해 다른 살아있는 과정을 늦추는 생리학적 상태입니다1. 인공적인 방법으로 혼면과 같은 저체온증과 대사 저하를 유도하는 개념은 장기간의 인간 우주 비행 중 에너지 소비를 줄이기 위한 생물의학 솔루션으로 1960년에 처음 제안되었습니다2,3. 혼수상태와 같은 저체온증과 대사저하는 신진대사와 질병 진행을 늦추어 생명을 위협하는 상태(예: 심장마비 또는 뇌졸중)에 있는 환자의 생존 확률을 높일 수도 있습니다4.

혼미한 상태의 비침습적이고 안전한 유도는 영화와 소설에 국한된 공상 과학 소설로 간주되었습니다5,6. 수십년간의 연구에도 불구하고 아직까지 도달하지 못했습니다. 원래 개념에서는 동면이 내인성 혈액 물질에 의해 조절된다는 것이 제안되었으며7, 전신 대사 억제를 통해 혼면 상태를 유발하는 내인성 물질을 찾는 데 광범위한 노력이 기울여졌습니다8,9. 이제 혼면은 중추신경계(CNS)에 의해 제어되어 수많은 기능을 정확하게 조정하는 것으로 믿어집니다. CNS 경로를 표적으로 하는 약제를 두개내 직접 주사하면 자연적인 혼면과 유사한 깊은 저체온 상태가 유발되는 것으로 보고되었습니다. 최근 획기적인 연구에서는 설치류11,12,15에서 혼면과 동면을 조절하는 시상하부 POA의 여러 신경 세포 집단이 확인되었습니다. 광유전학적 및 화학유전학적 조작을 위한 이러한 신경 집단의 유전 공학은 마우스11,12,15에서 혼면/동면의 중요한 행동 및 생리학적 특징을 얻었습니다. 혼미한 상태를 유도하는 이러한 기술적 진보는 유망하지만, 이러한 접근 방식은 외과적 개입이나 유전 공학이 필요하므로 이러한 접근 방식의 광범위한 적용과 인간에 대한 번역이 제한됩니다.

초음파는 비침습적으로 두개골에 침투하여 전리 방사선 없이 밀리미터 정밀도로 뇌 내 모든 위치에 초점을 맞출 수 있는 유일한 사용 가능한 에너지 형태입니다16,17. 이러한 기능은 안전성, 휴대성 및 저렴한 비용과 함께 초음파를 작은 동물18,19, 비인간 영장류20,21 및 인간16,22의 신경 조절을 위한 유망한 기술로 만들었지만 그 메커니즘은 아직 파악하기 어렵습니다. 여기에서 우리는 POA에서 원격 초음파 자극을 통해 마우스에서 무감각 상태의 비침습적이고 정확하며 안전한 유도를 보고합니다(그림 1a). 우리는 이 UIH가 torpor 관련 POA 뉴런에서 발현되는 TRPM2 이온 채널의 초음파 활성화와 관련되어 있음을 발견했습니다. 우리는 UIH의 조절에서 하류 뇌 영역으로서 등내측 시상하부와 이펙터 조직으로서 갈색 지방 조직의 잠재적인 관련성을 밝혀냈습니다. 우리는 또한 POA에서의 초음파 자극이 마비되지 않은 동물인 쥐의 저체온증을 성공적으로 유도했음을 입증했습니다.

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>