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声遗传学是一种创新技术，它将超声波与基因编辑相结合，以非侵入性的方式精确调节细胞活动。该方法需要使用基因传递载体在特定细胞的细胞膜上引入和激活机械敏感通道。当暴露于超声波时，可以操纵这些通道打开或关闭，从而影响细胞功能。声遗传学目前被广泛应用于治疗各种慢性疾病，包括帕金森病、视力恢复和癌症治疗。
2024年11月3日，复旦大学Yin Haohao、Zhou Boyang、浙江医院黄斌共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“Sonogenetics in the Treatment of Chronic Diseases: A New Method for Cell Regulation”的综述文章。该综述全面回顾了声遗传学的关键组成部分，并重点评估了其在慢性病治疗中的前景和潜在挑战。
超声波技术是一种非侵入性且安全的成像方式，常用于医疗领域，在各种疾病的检测和诊断中起着至关重要的作用。此外，超声波不仅有助于诊断，还可以在手术过程中提供实时指导。其应用范围不仅限于诊断，还包括治疗干预。一个值得注意的例子是高强度聚焦超声技术，该技术利用专门的发生器通过换能器产生聚焦于特定点的高频声波。这种非侵入性技术通过在焦点处产生高强度能量区域来治疗肿瘤和病理组织。超声波技术与基因工程的融合催生了声遗传学领域，研究人员探索利用超声波的机械能特性来控制细胞中的基因表达。这种对基因表达的操纵有助于调节细胞行为，凸显了超声波在声遗传学领域的良好应用。声遗传学受到光遗传学的启发，利用光能来操纵生物体内的基因表达，是这一概念的延伸。相比之下，声遗传学利用超声波实现对基因调控的精确和非侵入性控制。在光遗传学成功的基础上，声遗传学展示了超声波如何有效调节基因表达，为非侵入性操控遗传学提供了一种有前途的方法。使用超声波刺激特定基因标记细胞群的概念最初是由索尔克生物研究所的Sreekanth等人提出的，他们引入了“声遗传学”一词来描述这种创新技术。在声遗传学中，超声波发挥作用的机制主要包括机械、热和空化效应。机械效应通过产生机械力或应力直接影响细胞膜和机械敏感离子通道，改变其开放状态。热效应将超声能转化为热能，导致局部温度升高，从而激活离子通道。空化效应涉及气泡的形成和破裂，产生高温、高压和冲击波，暂时破坏细胞膜，从而提高基因传递的效率。声调控细胞的机制和方法多种多样，如声热调控将热刺激与超声相结合，利用超声诱发的局部组织温度变化激活热敏通道。此外，超声调控细胞功能主要有两种方式：微泡介导和非微泡介导的声调控。微泡作为增强超声波能量的媒介，微泡破裂产生的局部机械力可以打开细胞膜，促进基因传递，但此过程也可能导致局部组织损伤或炎症反应。而非微泡介导的声调控则是直接利用超声作用于细胞，通过机械力改变细胞膜张力，从而触发机械敏感通道的开放和细胞内信号的传导。声遗传学中常用的机械敏感通道（图源自Advanced Science ）尽管这些效应和技术具有独特的作用，但机械效应仍然是声遗传学中最常见和最主要的机制。超声波作为一种机械波，具有独特的能力，可以无创地穿透完整的骨骼和深层组织，集中在几立方毫米的小体积上。声遗传学涉及使用专门的声波发生器产生高频声波，通常范围从20千赫兹到1兆赫兹。这些声波通过透镜或换能器聚焦到一个小焦点上，其直径可以小到几毫米。在这个焦点上，声波的能量密度显著增加，施加高强度的机械力。机械敏感通道充当机械敏感纳米阀门并对超声刺激作出反应，可以通过基因技术受到声波振动作用的影响。这种机械效应改变了细胞膜的通透性，导致离子通道的打开和关闭，从而改变细胞内信号转导途径。最终，该过程会调节靶细胞的功能。重要的是，这种非侵入性调节模式可提高患者的舒适度和依从性。此外，声遗传学的可控性和可逆性为个性化治疗提供了更灵活的选择。因此，声遗传学在各种慢性疾病的管理中具有巨大潜力。例如，影响神经回路特定空间区域的神经系统疾病在成年人群中很常见。了解大脑功能并解决抑郁、焦虑、帕金森病和偏头痛等疾病需要精确定义和操纵特定的神经元。为此目的，已经开发了各种神经调节技术，包括光遗传学、电、磁和化学遗传学。光遗传学能够实现高度精确的控制和快速响应，但由于光的穿透性受限，其在深层组织中的应用受到限制。另一方面，磁遗传学允许使用磁场对深部脑神经元进行非侵入性远程调节，但磁性设备的复杂性和与磁性粒子相关的生物相容性问题仍然是挑战。此外，其空间和时间精度相对较低。简而言之，尽管这些方法为不同模型系统中的细胞操纵提供了宝贵的见解，但它们存在诸如侵入性、组织穿透性差、在深层组织靶细胞中的效用有限以及时空精度低等局限性。为了解决这些限制，声遗传学提供了一种非侵入性替代方案，具有出色的穿透性和高时空精度。基于这项研究，类似于神经系统疾病中使用的治疗策略，研究表明声遗传学不仅可以在神经细胞中诱导放电活动。这些发现为重要的医学应用提供了令人兴奋的可能性。例如，精确控制视网膜中的细胞活动显示出开发治疗视力障碍或退行性眼病的疗法的潜力。同样，通过声遗传学调节心脏细胞可以促进心脏起搏或心律失常管理。诱发肢体运动的能力为影响运动功能的疾病的治疗干预创造了机会。总体而言，声遗传学的应用范围不断扩大，不仅增强了作者对细胞反应的理解，而且表明了其在解决各种医学挑战方面的潜力。进一步探索这些应用对于充分释放声遗传学在各个医学领域的治疗潜力至关重要。以前对声遗传学的综述主要集中在该领域在监测和调节生物分子功能、基本原理和机制、细胞调节中的广泛应用以及神经调节和治疗潜力方面的研究和应用。本综述重点介绍声遗传学在慢性病治疗中的应用。它特别总结了机械敏感通道和基因传递系统的最新研究进展，并深入讨论了它们在慢性病治疗中的应用、潜在挑战和未来前景。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202407373![]()
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