Nowe urządzenie ma formę światłowodu, którego działanie polega na przeprowadzaniu tysiąca mikroskopijnych świetlnych „nakłuć” mniejszego niż kostka cukru fragmentu istoty szarej.
Nowy światłowód jest pierwszym takim urządzeniem mogącym precyzyjnie dostarczyć wiązkę światła do trójwymiarowego (3-D) fragmentu żywej tkanki mózgowej.
Wynalazek ten stanowi duży krok w nowej, ale obiecującej technice terapii genowej, zwanej optogenetyką. Polega ona na aktywacji lub inaktywacji określonych komórek mózgowych poprzez działanie impulsów świetlnych.
Skonstruowane przez wynalazców urządzenie pozwala na lepsze zrozumienie funkcjonowania mózgu. Innym ambitnym przeznaczeniem tego wynalazku jest próba jego zastosowania w leczeniu chorób psychosomatycznych oraz wykorzystanie tego urządzenia jako neuronowych protez przydatnych w leczeniu takich schorzeń jak np. choroba Parkinsona czy epilepsja.
Ta nowa, znana zaledwie od kilku lat metoda aktywacji neuronów wiązką światła polega na uwrażliwieniu określonych komórek mózgowych (przez wprowadzanie genów umożliwiających wytworzenie opsyn) na działanie konkretnej długości fali świetlnej. Kolejnym etapem jest naświetlenie określonych obszarów mózgu, dzięki czemu uwrażliwione komórki podlegają selektywnej aktywacji lub też inaktywacji.
Prof. Ed Boyden, kierujący badaniami, jest pionierem w tej dziedzinie nauki. Jego zdaniem optogenetyka oferuje możliwości badania sieci neuronowych w mózgu. Udowadnia on, że metoda ta pozwala na ocenę aktywności nerwowej w mózgu związanej z określonymi zachowaniami.
Nie bez znaczenia jest, czy aktywność ta została zainicjowana w badanej komórce, czy też jest to rodzaj „pasywnej kopii” będącej następstwem działania komórek z innych obszarów niż badany.
Czy i jak możemy zyskać pewność, który obszar emituje badane impulsy nerwowe? Nie ma innego sposobu jak obserwacja. Do tego niezbędne jest wykorzystanie osiągnięć technicznych oraz technologicznych związanych z optogenetyką.
W przeciwieństwie do poprzednich, 1-D wersji urządzenia emitującego światło, nowe dostarcza impuls świetlny do tkanki mózgowej w trzech wymiarach. Takie rozwiązanie otwiera potencjalne możliwości badania całych obszarów i powiązań neuronowych mózgu.
Jak dotąd wynalazek został przetestowany na modelach zwierzęcych (myszach), chociaż inni naukowcy stosowali podobne rozwiązania technologiczne w badaniach ssaków z rzędu naczelnych.
Jedną z największych zalet optogenetyki jest możliwość koncentracji badań na określonej grupie neuronów bez ryzyka ingerencji na działanie innych komórek nerwowych.
Dotychczasowe rozwiązania takie jak metoda „głębokiej stymulacji” polegały na dostarczeniu energii elektrycznej poprzez włókna do danych obszarów mózgu, jednakże nie mogą one oddziaływać na poszczególne grupy komórek.
Niektóre rodzaje farmakologicznych stymulatorów mogą również aktywować lub inaktywować działanie neuronów, niemniej jednak wspomniany wynalazek wykazuje działanie znacznie szybsze, oraz zapewnia istotnie wyższy stopień kontroli zachodzących procesów. W przeciwieństwie do leków, urządzenie oferowane przez konstruktorów pozwala na dokładną aktywację jednego rodzaju neuronów znajdujących się w określonym obszarze mózgu.
Wynalazek zawiera do stu mikrosond zespolonych w pewnego rodzaju ekran, co sprawia, że całe urządzenie przypomina wyglądem serie grzebieni z gęsto rozmieszczonymi, umocowanymi w jednym kierunku ząbkami. Każda sonda jest wielkości ok. 150 mikronów co powoduje, że jest ona tylko nieco grubsza od ludzkiego włosa, a także wystarczająco cienka aby urządzenie mogło być implantowane na dowolnej głębokości w korze mózgowej bez uszkodzenia tkanki. W ośrodkowym układzie nerwowym brak jest receptorów bólu co umożliwia implantowanie urządzenia bez dyskomfortu dla mózgu.
Na przebiegu długości każdej sondy umieszczonych jest wiele świecących portów. W zależności od potrzeb naukowcy mogą wysyłać impulsy świetlne, a także zmieniać jego barwę w danych portach, niezależnie od pozostałych. Dodanie „trzeciego wymiaru” pozwoli na przesłanie wiązki światła do każdej komórki mózgowej o dowolnej objętości używając kilkuset niezależnie sterowanych punktów świetlnych.
Neurony naturalnie są niewrażliwe na oddziaływanie światła, dlatego przed przeprowadzeniem właściwego badania należy uwrażliwić te komórki. Odbywa się to poprzez wprowadzenie genów pochodzących z białek światłoczułych (opsyn) naturalnie występujących w pewnych gatunkach alg i bakterii, do komórek ośrodkowego układu nerwowego. Przeniesione z wykorzystaniem nieszkodliwego wirusa jako wektora (metoda ta wykorzystywana jest w terapii genowej) geny są włączane do DNA wybranych komórek. Następnym etapem tej techniki jest ekspresja genów. Produktem ekspresji jest wiele funkcjonalnych kopii opsyn (rodopsyna kanałowa) umiejscowionych w błonie neuronów. Wówczas podobnie jak u alg czy bakterii po naświetleniu określoną barwą światła za pośrednictwem rodopsyny kanałowej uwalniają się kationy, które z kolei wywołują impuls bioelektryczny. Różne długości fali (barwa światła) powodują uaktywnienie różnych opsyn. Przykładowo światło niebieskiej barwy może aktywować opsyny jednego rodzaju i w konsekwencji aktywować neurony. Natomiast światło żółte może powodować inaktywację tych samych opsyn. Dzięki wspomnianym zabiegom uwrażliwione przez opsyny neurony nabywają zdolności reagowania na światło.
Reakcja poszczególnych neuronów (aktywacja lub inaktywacja) zależy od rodzaju opsyn wykorzystanych do uwrażliwienia komórek oraz barwy światła. W ten sposób, narzędzie daje naukowcom ogromne możliwości kontroli poszczególnych neuronów w mózgu.
Zespoły badawcze na całym świecie korzystają z technologii opracowanych przez grupę Prof. Boyden’a. Dzięki tym urządzeniom naukowcy są zdolni odpowiedzieć na wiele nurtujących pytań np. jak działa pamięć? Innym obszarem badawczym jest, zależność między pamięcią i emocjami, oraz różnice w działaniu mózgu podczas snu i jawy.
Opisana technologia prawdopodobnie zostanie skutecznie wykorzystana w leczeniu chorób psychosomatycznych oraz neurologicznych takich jak choroba Parkinsona, epilepsja, depresja, a także w leczeniu uzależnień.
Przy użyciu powyższej technologii w leczeniu choroby Parkinsona, działaniekomórek mózgowych wywołujących drgawki zostaje „optycznie” wyciszone bez skutków ubocznych, jakie często obserwujemy podczas stosowania leków przeciwdrgawkowych. Lepsze zrozumienie działania ośrodkowego układu nerwowego może pozwolić na inne zastosowanie wspomnianego wynalazku jako protezy w leczeniu schorzeń neurologicznych. Wynalazek ten jest również badany w kierunku zastosowania w formie implantów korygujących wady słuchu.
Pomimo, właściwego, skutecznego działania nowego urządzenia i potwierdzenia tego działania na modelach zwierzęcych, zespół badawczy twierdzi, że należy z dużą ostrożnością wdrażać te rozwiązania u ludzi. Przestrzega on przed możliwością komplikacji. Powikłania mogłyby polegać na reakcji antygen-przeciwciało i związaną z nią reakcją zapalną. Jest to możliwa odpowiedź na powstanie „obcych” białek – opsyn w organizmie ludzkim. Niepoznana w pełni jest również reakcja organizmu na wprowadzenie wektora wirusowego. Dlatego też przed dopuszczeniem do wykorzystania w medycynie należy przeprowadzić szczegółowe badania kliniczne.
Optogenetyka od narodzenia idei do stanu obecnego, rozwinęła się w ciągu kilku lat. Ten przełom technologiczny pozwoli w przyszłości odpowiedzieć na pytania, które wcześniej były poza zasięgiem naszej wyobraźni. Głębsze zrozumienie skomplikowanych, neuronowych sieci regulacyjnych, może być istotne w leczeniu wielu chorób. Jak dotąd metoda ta wykazała ogromny potencjał w modelach zwierzęcych. Czy optogenetyka będzie szeroko stosowana u ludzi? Przyszłość pokaże.
Donata Zaczyńska
Bibliografia
2. http://mcgovern.mit.edu“
3. Optogenetics in neuroscience: what we gain from studies in mammals”; Quanhui Chen, Ziling Zeng, Zhian Hu; Neurosci Bull August 1, 2012, 28(4): 423–434.
KOMENTARZE