Miniaturowy układ elektroniczny sterujący diodami LED i laserowymi. Całość waży zaledwie 3 gramy, jest zasilana bezprzewodowo i wszczepiona do mózgu myszy. Tak właśnie „na salony” wkracza nowa dziedzina nauki: optogenetyka.

W 2010 roku optogenetyka okrzyknięta została „Przełomem dekady” oraz uznana za „Metodę roku” wśród wszystkich dziedzin nauki i inżynierii przez prestiżowe magazyny „Nature” i „Science”.

„Optogenetyka jest wielkim przełomem” – uważa prof. Małgorzata Kossut, Kierownik Zakładu Neurobiologii Molekularnej i Komórkowej Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN - „Największym osiągnięciem jest to, że możemy precyzyjnie celować w konkretne komórki – nawet w głębokiej strukturze mózgu. Możliwość pobudzenia lub przyhamowania pojedynczych komórek stwarza ogromne możliwości, jakimi dotąd nie dysponowaliśmy”.

Jak dotąd jednak wszelkie badania musiały zmagać się z ograniczeniami technologicznymi. Do ich prowadzenia potrzebne były kosztowne, duże lasery i światłowody dosłownie „przyczepione” do zwierząt.

Casey Halpern, neurochirurg z Uniwersytetu w Pensylwanii uważa, że utrudnienia stwarzane przez dotychczasowe techniki stosowane w optogenetyce są kolosalne. „Praktycznie niemożliwe jest przeprowadzenie żadnego behawioralnego eksperymentu w sposób dający miarodajne wyniki” – mówi.

Nowe osiągnięcie amerykańskiej firmy Kendall Research zmienia tę sytuację diametralnie.


Zdalnie sterowane myszy

Urządzenie skonstruowane przez Kendall Research waży zaledwie trzy gramy. Nie posiada własnego zasilania, a niezbędnej energii dostarczają mu bezprzewodowo tak zwane „super-kondensatory” umieszczone bezpośrednio pod klatką, w której znajduje się doświadczalne zwierzątko. Implant wszczepiany bezpośrednio do mózgu posiada również zdalny kontroler komunikujący się z nim za pomocą fal radiowych, podłączany do sterującego komputera przez gniazdo USB.

To prawdziwie przełomowe rozwiązanie, bowiem pozwala na coś, co dotąd było niemożliwe – myszy z zaimplantowanym układem mogą swobodnie się poruszać, w zasadzie nie odczuwając skutków umieszczenia w ich organizmie obcego elementu.

Badania prowadzone przez Halperna dotyczą między innymi tego, w jaki sposób aktywacja lub deaktywacja określonych grup neuronów wpływa na sposób odżywiania myszy. Aby jednak można było obserwować naturalne ich zachowania - muszą one mieć swobodę ruchu, a człowiek nie może być obecny w pomieszczeniu z klatkami. To właśnie między innymi do prowadzenia tego rodzaju eksperymentów posłużyć ma skonstruowane w Kendall Research urządzenie. Chris Wentz, absolwent MIT i założyciel firmy, nazywa je po prostu „bezprzewodowym routerem (router to określenie dotyczące elementu sieci komputerowej – przyp. red.) dla mózgu”.  


Geny światłem malowane

Optogenetyka pozwala na manipulację zachowaniem organizmu poprzez sterowanie działaniem komórek mózgu. Do komórek wprowadza się opsyny, czyli odpowiednio zmodyfikowane białka światłoczułe, pozyskane na przykład z alg lub niektórych bakterii. Następnie precyzyjnie wycelowane promienie laserowe pobudzają lub przytłumiają ich aktywność. Poprzez zmianę aktywności pojedynczych komórek badacze mogą bezpośrednio wpływać na funkcjonowanie mózgu, a co za tym idzie – zachowanie poddawanego eksperymentowi obiektu.

Podobne efekty próbowano osiągnąć już od dziesięcioleci. Dotąd jednak jedyną drogą było użycie odpowiednich substancji chemicznych - działających w charakterze stymulantów lub inhibitorów - lub stosowanie elektrostymulacji. Chociaż funkcje poszczególnych regionów mózgu znane są od dawna, to niestety obie wspomniane metody są niezbyt dokładne i stwarzają spore ryzyko błędu. Optogenetyka pozwala na manipulacje z przysłowiową „zegarmistrzowską precyzją”, w konsekwencji stwarzając zupełnie nowe możliwości.

Naukowcy mają nadzieję, że już niedługo można będzie dzięki osiągnięciom w tej dziedzinie skutecznie leczyć wiele chorób natury neurologicznej – w tym chorobę Parkinsona, czy uzależnienia. Pojawia się również nadzieja dla osób cierpiących na autyzm, schizofrenię i depresję.

Optogenetyka – jako technika nauki – jest stosunkowo młoda. Jej historia sięga zaledwie 1999 roku, kiedy to Francis Crick podczas wykładu na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego zaprezentował teorię wykorzystania światła do kontroli aktywności neuronów. Dopiero w 2005 roku jednak – na Uniwersytecie Stanforda - skonstruowane zostało pierwsze urządzenie dla potrzeb nowej dziedziny i przeprowadzono pierwsze eksperymenty na ssakach. Termin „optogenetyka”  natomiast przedstawiony został rok później przez Karla Deisserotha, szefa stanfordzkiego zespołu.

Sama technika stosowana w optogenetyce jest zbliżona do dotychczasowych metod – wszczepienie do mózgu bardzo cienkich światłowodów jest w praktyce podobne do wszczepiania elektrod, co od lat stosowane jest w tak zwanej „głębokiej stymulacji” w przypadku na przykład choroby Parkinsona. Tyle tylko, że wspomniane światłowody muszą być podłączone do stosunkowo dużych stacjonarnych laserów laboratoryjnych. To niestety znacznie ogranicza mobilność będącego obiektem eksperymentu zwierzęcia oraz powoduje olbrzymi dyskomfort – co oczywiście nie pozostaje bez wpływu na rezultaty badań.

„Głęboka stymulacja stosowana w leczeniu choroby Parkinsona nie jest najlepszym przykładem. W tej dziedzinie osiągamy doskonałe rezultaty przy pomocy tradycyjnych elektrod. Ale jest całe mnóstwo innych przypadków, w których optogenetyka się doskonale sprawdzi.” – mówi prof. Kossut.

Przez ostatnie lata naukowcy szukali skutecznego sposobu na przełamanie barier oraz wprowadzenie osiągnięć optogenetyki w nowe obszary nauki. Wygląda na to, że udaje im się to coraz lepiej.


Laser? Niekoniecznie…

Wbrew wszystkim powyższym rozważaniom – wcale nie wszystkie techniki optogenetyczne wymagają stosowania lasera. Co więcej, część z nich jest już od lat stosowana w neurobiologii, część zaś jest na etapie bardzo obiecujących badań, które lada chwila mogą zostać wprowadzone do codziennej praktyki medycznej i naukowej.

Naukowcy z Zurychu skonstruowali „optogenetyczny przełącznik”, który sterowany jest po prostu światłem rejestrowanym przez receptory oka. Wprowadzone do organizmu białko wrażliwe na fale świetlne o określonej długości zmienia swoją strukturę, kiedy zostaje nimi oświetlone. Tym samym uruchomiona zostaje reakcja, w konsekwencji prowadząca do napływu jonów wapnia i wyzwolenia impulsu elektrycznego. Niewielka modyfikacja tego rozwiązania pozwoliła sterować na podobnej zasadzie aktywnością genu NFAT – wpływającego między innymi na efekt odrzucenia przeszczepu.

Zbliżony mechanizm można także wykorzystać do leczenia chorych na cukrzycę. Udane eksperymenty w tym kierunku prowadzone były na myszach już ponad rok temu.

W drugiej połowie 2011 roku badacze z Uniwersytetu Stanforda ogłosili stworzenie pierwszych ludzkich komórek serca sterowanych światłem. Dzięki odpowiedniej modyfikacji komórki te kurczą się po oświetleniu niebieskim światłem o odpowiednio dobranej długości fali. Regulując rytm błysków specjalnej lampy jednocześnie narzuca się komórkom rytm pracy. W ten sposób można nie tylko dokładnie zbadać mechanizmy pracy serca, ale także w przyszłości leczyć między innymi arytmię.
Neurobiolodzy z Bordeaux przy współpracy kolegów z Bazylei zajęli się natomiast mechanizmami powstawania fobii. Udało im się zidentyfikować schematy odpowiadające za korelację zaburzeń lękowych z bodźcami dźwiękowymi oraz procesy nabywania strachu. W eksperymentach wykorzystano specjalny fluorescencyjny znacznik wchłaniany przez neurony. Posłużył on do obserwacji zachodzących w mózgach myszy reakcji. Wykorzystano również zjawisko poniekąd odwrotnym – czyli stymulacją określonych neuronów za pomocą wiązki laserowej. Wprawdzie droga od „teorii do praktyki” jest jeszcze długa, ale wyniki badań są obiecujące i pozwalają sądzić, że w przyszłości odpowiednia „regulacja” pracy układu nerwowego – między  innymi z zastosowaniem optogenetyki – umożliwi zapobieganie powstawaniu stanów lękowych i następujących w ich konsekwencji fobii.

Optogenetyka „bez lasera” – w pewnym sensie „tylnymi drzwiami” – weszła już teraz do naszego życia. Eksperymenty z jej użyciem prowadzone są nie tylko w ośrodkach akademickich, czy prywatnych laboratoriach, ale nawet przez indywidualnych entuzjastów nauki w domowych laboratoriach. Zastosowanie bezpośredniej stymulacji laserowej komórek nerwowych otwiera nauce jednak zupełnie nowe drzwi.

Nicienie, fantastyka i wielkie korporacje

Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda – również w zeszłym roku – stworzyli wyjątkowy egzemplarz nicienia z gatunku Caenorhabditis elegans.  Stworzenie ma niecały milimetr długości, pod mikroskopem dokładnie widoczne są wszystkie 302 komórki nerwowe, a jego wyjątkowość polegała na tym, że był… zdalnie sterowany. W sensie dosłownym – takim, jak zdalnie sterowane modele samochodów. Poprzez „strzelanie” laserem w konkretne komórki nerwowe badacze byli w stanie wywoływać równie konkretne zachowania nicienia – sprawić, by skręcał w lewo lub prawo, zatrzymał się, lub… złożył jajko!

Problem w tym, że budowa nicienia jest naprawdę mało skomplikowana, a do tego wykorzystany w eksperymencie gatunek jest po prostu przeźroczysty. Jak jednak uzyskać taki sam efekt w przypadku dużych ssaków? Tu konieczne jest już wszczepienie światłowodów do mózgu. Urządzenie stworzone w amerykańskiej firmie Kendall Research nie tylko bezpośrednio ingeruje w mózg, ale może też być zdalnie sterowane, a nawet programowane. Będzie również w stanie przesyłać informacje zwrotne.

Wprawdzie do integracji ludzkiego mózgu z komputerem – tak, jak w przypadku bohatera filmu „Johnny Mnemonic” z Keanu Reevesem – jest jeszcze daleko. Badania jednak posuwają się w bardzo szybkim tempie, a technologia rozwija się równie szybko. Dziś doświadczenia prowadzone są miedzy innymi na myszach, ale dzięki obiecującym wynikom i wynalazkom takim, jak opisywany – niebawem mogą rozpocząć się próby kliniczne na ludziach. Trudno przypuszczać, by eksperymenty ze „zdalnym sterowaniem” zakończyły się tylko na nicieniu.

Biorąc pod uwagę już istniejące osiągnięcia w zakresie genetyki, psychologii i neurologii – można się spodziewać, że optogenetyka pozwoli na szybkie poznanie funkcji poszczególnych regionów mózgu z dokładnością do pojedynczej komórki. Technologia umożliwiająca precyzyjne sterowanie działaniem tych komórek może w przyszłości przyczynić się do bardzo skutecznego wyleczenia wielu chorób, ale również stworzyć pole do olbrzymich nadużyć – jak choćby kreowania sztucznych wspomnień (co – w znikomym stopniu miało miejsce w przypadku wspomnianych francuskich badań nad fobiami) To, czy człowiek ma w ogóle prawo posiąść umiejętność kierowania – tym bardziej za pomocą czysto technologicznych rozwiązań – zachowaniem innego człowieka, od dawna budzi kontrowersje etyczne wśród części naukowców, a także sprzeciw wielu filozofów i etyków.

Sanjay Magavi, badacz z firmy Vortex  Pharmaceuticals, twierdzi, że rośnie zainteresowanie stosowaniem optogenetyki u zwierząt do opracowywania coraz bardziej zaawansowanych modeli różnych chorób w celu ulepszenia przedklinicznych testów nowych leków. Interfejs podobny do skonstruowanego przez Kendall Research byłby do tego idealnym narzędziem. Magami podkreśla jednak, że „Nie jest jeszcze jasne, w jaki sposób wykorzystane zostanie przez przemysł”.

O ile pewne – opisane wcześniej  - techniki optogenetyczne już są stosowane wobec ludzi, o tyle wdrożenie rozwiązań takich, jak interfejs Kendall Research nie wydaje się realne na dzień dzisiejszy. Profesor Małgorzata Kossut zapytana o najbliższa przyszłość podkreśliła, że badania prowadzone są jedynie na zwierzętach. Po chwili rozmowy dodała jednak bez wahania:

„Optogenetyka wymaga wprowadzania obcych elementów do komórek. Ale doświadczenia z podawaniem wektorów wirusowych u ludzi trwają i przynoszą pozytywne efekty. Może więc droga do pierwszych zastosowań tej techniki u ludzi nie jest wcale tak daleka..?”


Adam Czajczyk
zdjęcia: Kendall Research, wikimedia lic. CC