Jak działa optogenetyka – sterowanie komórkami za pomocą światła

Pilot zdalnego sterowania dla żywych komórek

Wyobraź sobie, że pstrykasz włącznikiem światła, aby włączyć lub wyłączyć pojedynczy neuron w żywym mózgu. To jest podstawowa obietnica optogenetyki – techniki, która łączy inżynierię genetyczną z dostarczaniem światła za pomocą światłowodów, aby kontrolować określone komórki z niezwykłą precyzją. Od czasu pojawienia się w połowie lat 2000. przekształciła badania neuronaukowe i obecnie wkracza do medycyny klinicznej, a badania przywracają częściowe widzenie niewidomym pacjentom.

Jak działa nauka

Optogenetyka opiera się na opsynach, białkach światłoczułych występujących naturalnie w algach, bakteriach i grzybach. Organizmy te wykorzystują opsyny do wykrywania światła i reagowania na otoczenie. Naukowcy zapożyczają geny kodujące te białka i wprowadzają je do komórek docelowych – zwykle neuronów – za pomocą nieszkodliwego wektora wirusowego, najczęściej wirusa związanego z adenowirusem (AAV).

Gdy neuron eksprymuje opsynę, staje się wrażliwy na światło. Skieruj impuls niebieskiego światła na neuron niosący channelrhodopsin-2 (ChR2), a białko otworzy kanał jonowy, umożliwiając napływ jonów dodatnich i wyzwalając komórkę do działania. Użyj innej opsyny – takiej jak halorodopsyna (NpHR) – a żółte światło zamiast tego wyciszy tę samą komórkę. Rezultatem jest milisekundowa precyzja, włączanie i wyłączanie poszczególnych typów komórek w żywym organizmie.

Światło jest zwykle dostarczane przez cienki kabel światłowodowy wszczepiony w pobliżu komórek docelowych. Ponieważ opsyny są wprowadzane tylko do genetycznie zdefiniowanych populacji komórek, naukowcy mogą aktywować lub hamować jeden określony typ neuronu, pozostawiając jego sąsiadów nietkniętych – poziom precyzji, którego nie może dorównać żaden lek ani elektroda.

Co już ujawniła

W laboratorium optogenetyka przeformułowała podręczniki na temat tego, jak działa mózg. Przez włączanie i wyłączanie neuronów u myszy, naukowcy zmapowali obwody regulujące strach, pamięć, uzależnienie, sen i zachowania społeczne. Eksperyment z 2007 roku wykazał, że aktywacja maleńkiego skupiska neuronów w podwzgórzu natychmiast skłoniła mysz do ataku, podczas gdy ich wyciszenie zatrzymało agresję w połowie zamachu. Takie eksperymenty byłyby niemożliwe przy użyciu tradycyjnych metod, które wpływają na całe obszary mózgu, a nie na poszczególne typy komórek.

Od laboratorium do kliniki

Największy kliniczny przełom tej techniki nastąpił w 2021 roku, kiedy międzynarodowy zespół częściowo przywrócił wzrok pacjentowi oślepionemu przez retinitis pigmentosa, zwyrodnieniową chorobę oczu. Naukowcy wstrzyknęli wektor AAV niosący gen opsyny zwanej ChrimsonR do komórek zwojowych siatkówki pacjenta. Po siedmiu miesiącach treningu z zaprojektowanymi goglami, które przekształcają sceny wizualne w wzory światła bursztynowego, pacjent mógł lokalizować, dotykać i liczyć przedmioty na stole – po raz pierwszy optogenetyka poprawiła funkcjonowanie u człowieka.

Kolejne badania opierały się na tym sukcesie. W badaniu RESTORE zgłoszono, że pacjenci otrzymujący leczenie optogenetyczne MCO-010 wykazywali mierzalną poprawę widzenia w porównaniu z grupą placebo, zgodnie z wynikami opublikowanymi przez Review of Ophthalmology.

Wyzwanie głębokich tkanek

Pozostaje jedna poważna przeszkoda: światło nie przenika daleko przez tkankę. Długości fal niebieskich i zielonych – na które reaguje większość popularnych opsyn – przenikają tylko około jednego milimetra w głąb mózgu. To ogranicza optogenetykę do płytkich celów lub wymaga inwazyjnych implantów światłowodowych dla głębszych struktur.

Naukowcy atakują ten problem z dwóch stron. Jedno podejście wykorzystuje nanocząstki konwertujące w górę (UCNP), które absorbują światło bliskiej podczerwieni, które łatwo przenika przez tkankę, i reemitują je jako światło widzialne, aby aktywować pobliskie opsyny. Inne pochodzi z nieoczekiwanego źródła: naukowcy z Osaka Metropolitan University odkryli niedawno, że ważki posiadają opsynę wrażliwą na czerwień, naturalnie dostrojoną do 720 nm – głęboko w zakresie bliskiej podczerwieni. Inżynierując dalej tę opsynę, naukowcy uważają, że mogliby stworzyć narzędzia, które reagują na długości fal przenikające przez tkanki bez żadnego pośrednictwa nanocząstek.

Dlaczego to ma znaczenie

Oprócz ślepoty, optogenetyka jest badana pod kątem przewlekłego bólu, epilepsji, choroby Parkinsona, a nawet immunoterapii nowotworów, gdzie komórki odpornościowe aktywowane światłem mogłyby być kierowane do atakowania guzów z chirurgiczną precyzją. Technologia oferuje coś, czego nie może zaoferować żadne inne narzędzie: możliwość badania i manipulowania obwodami elektrycznymi ciała, jeden typ komórki na raz.

Wraz z poprawą metod dostarczania i gromadzeniem się danych klinicznych, optogenetyka stale przechodzi od laboratoryjnego cudu do prawdziwej platformy terapeutycznej – jeden impuls światła na raz.