Что обещает оптогенетика человечеству?
Еще в 2010 г. журнал Nature признал оптогенетику методом года. Сейчас в мире насчитывается более 700 лабораторий, в которых данная революционная технология используется в различных научных направлениях. Даже на Всемирном экономическом форуме обсуждались перспективы практического применения оптогенетики
Как это работает?
Оптогенетика позволяет избирательно управлять определенными клетками с помощью света. Чаще всего речь идет о нейронах и мышечных клетках, в которые с помощью методов генной инженерии встраивают светочувствительные белки.
Дело в том, что у нейронов в мембране находятся специфические белки, которые отвечают за распространение нервного импульса, открывая или закрывая ионные каналы. В результате возникают волны поляризации и деполяризации клеточных мембран и нейроны «коммуницируют» посредством высвобождения в синаптическое пространство нейромедиаторов. Такие белки (опсины) есть у большинства животных в сетчатке глаз, а также у некоторых растений, например у зеленых водорослей.
Оптогенетическая методика может искусственно запускать импульс, внедряя в нейрон или мышечную клетку опсины, реагирующие на возбуждение светом и переносящие положительные ионы. Иными словами, оптогенетика доставляет светочувствительные белки в нужные клетки, встраивает их в мембраны и определяет, как воздействовать на них светом в живом организме.
Оптогенетические инструменты
Классическими оптогенетическими инструментами являются галородопсин, археародопсин и канальный родопсин. Одним из наиболее используемых белков служит каналородопсин — фоторецептор клеточной мембраны зеленых водорослей. Под действием света он пропускает в клетку ионы натрия подобно тому, как это делают натриевые каналы мембраны нейронов, запуская в них потенциал действия.
Биоинженеры создают участок генной конструкции, состоящий из промотора и гена, кодирующего светочувствительный белок, и заключают его в вирусный капсид. Затем запускают процесс трансфекции, то есть проникновения в выбранную клетку.
Оптогенетика открыла уникальную возможность изучения отдельно взятых нейронов
Промотор обеспечивает избирательность экспрессии белка только в определенную популяцию клеток, например, в нейроны. Нервные клетки, получившие вирус, начинают самостоятельно синтезировать новый опсин. Этот белок встраивается в наружную мембрану нейрона и действует в качестве ионного канала, необходимого для создания нервного импульса.
В практическом применении оптогенетики важно иметь возможность облучать клетки в глубине тканей. Для последующей активации или ингибирования нейронов и их сетей используют лазеры, оптоволокно и другую оптическую аппаратуру.
Филигранная точность
В XXI в. наука о человеке — это прежде всего наука о мозге и его функциях. Основная проблема в изучении деятельности головного мозга состоит в том, как дифференцировать воздействие на одни нейроны, не затрагивая при этом другие. Поэтому особую актуальность представляет минимально инвазивная терапия неврологических заболеваний. Воздействие светом для этой цели подходит как нельзя лучше.
Оптогенетика может помочь в лечении наркозависимости у людей
Преимущество оптогенетики перед традиционными электрофизиологическими методами изучения ЦНС состоит в возможности высокоселективной активации либо подавления конкретных нейрональных связей. При этом с беспрецедентной точностью можно видеть и контролировать выбранные цепи нейронов в определенный момент времени. Именно эта филигранность и определяет сложность и многообразие всех процессов, протекающих в головном мозге и за его пределами.
Оптогенетика открыла уникальную возможность изучения отдельно взятых нейронов.
Читайте также: Глаза: окна в мозг
Новый уровень неврологии и психиатрии
Неврологи и психиатры возлагают на метод оптогенетики огромные надежды. Его селективность открывает новые возможности в терапии болезни Паркинсона, депрессии, тревожных состояний и эпилепсии. Оптогенетика позволяет поднять науку до уровня, где соответствующая мозговая деятельность, эмоции и поведение в целом, будут рассматриваться как отдельные процессы ЦНС.
С помощью специальных генетических конструкций и нейротропных вирусов ученые получили возможность отойти от изучения мозга в целом и рассматривать отдельно взятые нейроны и их функциональные связи.
Оптогенетика дает реальную надежду на то, что создание киберпротезов сетчатки станет повседневной операцией
Благодаря методу оптогенетической стимуляции доказана главенствующая роль парвальбуминовых ингибирующих нейронов быстрой активности, расположенных в лобной доли в образовании искаженного гамма-ритма. Такой ритм преобладает у больных шизофренией и аутизмом и способствует большему потоку информации через корковые пути. Это нарушает анализ происходящих процессов, заставляя мозг создавать новые, запутанные и патологические связи.
Кроме того, с помощью оптогенетики определена роль нейронов, синтезирующих гипокретин, в механизмах сна и пробуждения, а также в развитии таких заболеваний, как нарколепсия (неконтролируемые приступы сна) и фатальная семейная бессонница.
Оптогенетика может дать ответ на вопрос, связаны ли возникающие у людей ложные воспоминания и ассоциации с развитием депрессии и различных тревожных расстройств.
Технология глубокой стимуляции мозга
Используя правильную последовательность световых импульсов, можно контролировать активность нейронов. Технология глубокой стимуляции мозга (deepbrain stimulation) вносит существенные коррективы в уже существующий хирургический метод лечения таких расстройств, как болезнь Паркинсона и эпилепсия. Введение микроэлектродов в субталамические ядра и базальные ганглии головного мозга и их стимуляция позволяет видоизменять активность и устранять такие симптомы как судорожные состояния или двигательные нарушения особенно у пациентов, которым медикаментозная терапия не приносит должного эффекта. Однако электрический сигнал служит языком коммуникаций всех нейронов, поэтому вместе с нужной областью импульс «достается» и всем окружающим клеткам, в результате чего могут возникать побочные эффекты.
Оптогенетика с ее точностью воздействует лишь на те клетки, которые стали «виновниками заболевания». Таким образом, повышается точность и эффективность технологии глубокой стимуляции мозга. При локальном подавлении активности прилежащего ядра с помощью белка галородопсина, встроенного в мембрану нейронов, у лабораторных крыс, пристрастившихся к кокаину, исчезала зависимость. Таким же образом оптогенетика может помочь в лечении наркозависимости у людей.
И слепые прозреют
Благодаря оптогенетике появляется возможность восстановления зрения при некоторых патологиях сетчатки. В мире около 20–25 млн людей страдают от потери зрения, вызванной дегенерацией желтого пятна и пигментной дистрофией сетчатки. Особенность этих заболеваний состоит в том, что поражаются главным образом фоторецепторы, а лежащие ниже ганглионарные клетки, интегрирующие информацию от светочувствительных клеток и передающие ее в мозг, остаются неповрежденными.
Открываются возможности протезирования функций мозга с помощью внедренных прозрачных микроэлектродов, благодаря которым можно с максимальной точностью модулировать активность нейронов в пространстве и времени, а значит изменять поведенческую реакцию, за которую они отвечают
Технология оптогенетической инженерии позволяет встроить светочувствительный ородопсин непосредственно в ганглионарный слой сетчатки, что позволит воспринимать импульсы аналогично тому, как принимался бы сигнал фоторецепторами. Поскольку мозг пластичен, то вскоре научится воспринимать сигналы, исходящие непосредственно от ганглионарных клеток с встроенным ородопсином, и пациент может в буквальном смысле слова прозреть.
Также рассматриваются возможности имплантации микрокомпьютерного чипа, который превращал бы зрительный стимул в последовательность импульсов, имитирующих электрическую активность сетчатки. А затем голографический передатчик мини-проектор транслировал бы закодированные сигналы в виде вспышек света на дефектную сетчатку. И хотя полное решение проблем дегенеративных заболеваний сетчатки глаза пока остается вопросом будущего, оптогенетика дает реальную надежду на то, что создание киберпротезов сетчатки станет повседневной операцией.
Читайте также: Мозг – великий обманщик
Оптогенетические имплантаты
В настоящее время проводятся исследования по разработке микроэлектродных оптогенетических мозговых имплантатов. Открываются возможности протезирования функций мозга с помощью внедренных прозрачных микроэлектродов, благодаря которым можно с максимальной точностью модулировать активность нейронов в пространстве и времени, а значит изменять поведенческую реакцию, за которую они отвечают. К примеру, это было бы полезно при лечении больных эпилепсией. Патологическую активность небольшого епилептического очага можно подавлять с помощью лазера, что предотвратит развитие приступа.
Предполагается, что оптогенетика и ее инструменты позволит улучшить качество жизни людей с перманентными болевыми синдромами и нейродегенеративными возрастными заболеваниями. Станет возможным частичное или полное восстановление зрения, слуха и двигательных расстройств.
Большие ожидания на оптогенетику возлагают кардиологи. Культуру клеток сердца крысы с помощью луча света заставили ритмично сокращаться с частотой, которая в десятки раз превышает таковую при электрокардиостимуляции. Оптогенетический метод сможет позволить более прицельно изучить механизмы памяти, корректировать и усиливать различные функции мозга. Избирательно воздействуя на определенные его участки, можно добиться развития музыкального слуха или особой остроты восприятия.
Оптогенетика еще не сформировалась в отдельную клиническую дисциплину, однако именно она уже обладает инструментами и методами, способными в будущем не только победить многие болезни, но и усовершенствовать человеческое тело и разум.
Татьяна Кривомаз, д-р техн. наук, канд. биол. наук, профессор
“Фармацевт Практик” #6′ 2018
