O que é optogenética?

Técnica que usa opsinas sensíveis à luz para ativar ou inibir neurônios, permitindo manipular a atividade neuronal in vivo. Opsinas são introduzidas por engenharia genética, possibilitando controle específico de circuitos cerebrais.

Como as opsinas controlam a atividade neuronal?

Opsinas são canais ou bombas iônicas que reagem à luz, abrindo ou fechando condutos iônicos. A iluminação de neurônios que expressam opsina provoca excitação ou inibição conforme o tipo de opsina empregado.

Quais métodos existem para introduzir opsinas (vetores virais e transgênicos)?

Dois métodos comuns: injeção de vetores virais em animais adultos para infectar neurônios, ou criação de animais transgênicos (ou injeção in utero) que expressem opsinas em áreas específicas do cérebro.

Que resultados pré-clínicos a optogenética já alcançou?

Resultados pré-clínicos incluem avanços em terapias para perda de visão e recuperação parcial da audição em roedores, além de aplicações em estudos comportamentais e do desenvolvimento cerebral.

Quais são os desafios técnicos para uso clínico da optogenética?

Desafios incluem necessidade de dispositivos intracranianos para iluminação, complexidade cirúrgica, eficiência na entrega genética e adaptação em primatas não humanos antes de eventual aplicação humana.

Quais são as preocupações éticas da optogenética em humanos?

A manipulação genética necessária levanta conflitos éticos sobre intervenções em humanos, uso de transgênicos e regulamentação, exigindo debate público e critérios éticos rigorosos antes de aplicações clínicas.

O que é a optogenética?

O Dr. Pablo Barrecheguren explica o que é a optogenética, seus resultados pré-clínicos e os desafios, tanto técnicos quanto morais, dessa técnica.

De todas as técnicas desenvolvidas em neurociência durante os últimos anos, certamente a optogenética é a que mais rapidamente se normalizou como uma ferramenta de trabalho nos laboratórios.

Tanto é o seu uso que já estão começando a ser obtidos resultados pré-clínicos chamativos. Por exemplo, hoje em dia está se analisando seu uso como terapia no tratamento de problemas de visão com base neurológica e, seguindo com os sentidos, já conseguiu-se desenvolver em roedores sistemas que permitem recuperar parte da audição usando esse tipo de tecnologia como uma possível opção alternativa aos implantes cloqueares atuais. Embora pré-clínicos e modestos, estes são grandes resultados se considerarmos a excessiva juventude dessa técnica, mas… exatamente o que é a optogenética?

O que exatamente é a optogenética

A optogenética baseia-se no uso de canais e bombas iônicas sensíveis à luz (opsinas) para a ativação ou inibição de neurônios, o que permite manipular in vivo a atividade neuronal. Isso dito, é preciso ter em conta que a presença das opsinas é conseguida mediante engenharia genética, podendo aplicar duas variantes distintas:

Injeção de vetores virais em organismos adultos. Neste caso geram-se partículas virais que carregam as opsinas, os vírus são injetados diretamente na área do cérebro onde queremos aplicar a optogenética, os vírus infectam os neurônios e estes começam a produzir opsinas;
criação direta de animais geneticamente modificados que expressam opsinas em determinadas áreas do cérebro ou injeção de vetores virais in utero no cérebro de organismos modelo.

Investigações

Segundo o campo de investigação usa-se uma estratégia ou outra em um organismo modelo, que em geral são camundongos. Mas seja como for, o resultado é que temos um ser vivo com opsinas em seus neurônios. Como consequência disso, se esses neurônios são estimulados com luz, as opsinas reagirão a ela gerando uma ativação ou inibição dos neurônios em função das modificações que tenhamos realizado. E como é possível ser bastante específico na hora de escolher que neurônios exprimem opsina e quais não, o resultado é que podemos regular à vontade a atividade de rotas neuronais concretas.

Isto é fundamental para identificar a função de cada emaranhado neuronal. Por exemplo, se suspeitamos que a ativação de certos neurônios aumenta o apetite, podemos gerar um camundongo que tenha opsinas nesses neurônios, estimular essas células com luz e ver se o camundongo ingere mais calorias. É mais, literalmente o sistema funciona como um interruptor, assim podemos apagar ou ligar esses neurônios quando quisermos enquanto vemos como muda, ou não, o comportamento do animal em tempo real.

Isto converteu a optogenética em a ferramenta mais potente para os estudos comportamentais, mas seu potencial também está no estudo do desenvolvimento cerebral, já que podemos provocar mudanças na atividade neuronal para depois analisar se isso altera ou não o desenvolvimento do sistema nervoso.

Desafios da optogenética

Ainda assim, é sempre importante lembrar que ainda se trata de investigação biomédica básica, a qual tem que superar muitos desafios antes de poder ser utilizada em clínica. Estes são dois dos principais obstáculos:

Normalmente, consegue-se estimular as células com luz mediante a implantação de um dispositivo intracraniano. Isto, embora cirurgicamente possível, é um fator a ter muito em conta se estamos falando de um possível uso em seres humanos.
Para que a técnica funcione é necessário manipular geneticamente o organismo. Hoje em dia já é possível criar primatas não-humanos transgênicos, embora sejam extremamente raros e seu uso seja muito mais complexo que o de outros organismos modelo. Mas mesmo quando se solucionarem os problemas técnicos, isto não eliminará o conflito ético de ter que utilizar engenharia genética em seres humanos para poder aplicar biomédicamente a optogenética.

Está claro que os desafios, tanto técnicos quanto morais, que apresenta a optogenética são equiparáveis ao seu grande potencial no campo da neurociência, portanto é uma técnica que deve ser acompanhada com especial interesse durante os próximos anos.

Referências

Deubner, J., Coulon, P., & Diester, I. (2019). Optogenetic approaches to study the mammalian brain. Current Opinion in Structural Biology, 57(1), 157–163.
Galvan, A., Stauffer, W. R., Acker, L., El-Shamayleh, Y., Inoue, K., Ohayon, S., & Schmid, M. C. (2017). Nonhuman Primate Optogenetics: Recent Advances and Future Directions. The Journal of Neuroscience, 37(45), 10894–10903.
Keppeler, D., Vogl, C., Dieter, A., Moser, T., Huet, A., Jeschke, M., … Duque-Afonso, C. J. (2018). Optogenetic stimulation of cochlear neurons activates the auditory pathway and restores auditory-driven behavior in deaf adult gerbils. Science Translational Medicine, 10(449), eaao0540.
Roska, B., & Sahel, J.-A. (2018). Restoring vision. Nature, 557, 359-367.