Cos’è l’optogenetica?

Il Dr. Pablo Barrecheguren spiega che cos’è l’optogenetica, i suoi risultati preclinici e le sfide, sia tecniche sia morali, di questa tecnica.

Di tutte le tecniche sviluppate nelle neuroscienze negli ultimi anni, sicuramente l’optogenetica è quella che più rapidamente si è normalizzata come strumento di lavoro nei laboratori.

Un tale utilizzo ha già iniziato a produrre risultati preclinici sorprendenti. Ad esempio, ad oggi si sta analizzando il suo impiego come terapia nel trattamento di problemi visivi di origine neurologica e, restando sui sensi, si è già riusciti a sviluppare nei roditori sistemi che permettono di recuperare parte dell’udito usando questo tipo di tecnologia come possibile alternativa agli attuali impianti cocleari. Sebbene preclinici e modesti, sono risultati di grande rilievo se consideriamo la giovanissima età di questa tecnica, ma… che cos’è esattamente l’optogenetica?

Che cos’è esattamente l’optogenetica

L’optogenetica si basa sull’utilizzo di canali e pompe ioniche sensibili alla luce (opsine) per l’attivazione o l’inibizione dei neuroni, il che permette di manipolare in vivo l’attività neuronale. È però importante tenere presente che la presenza delle opsine viene ottenuta mediante ingegneria genetica, applicando due varianti differenti:

1. Iniezione di vettori virali in organismi adulti. In questo caso si generano particelle virali che trasportano le opsine, si iniettano i virus direttamente nell’area del cervello in cui si vuole applicare l’optogenetica, i virus infettano i neuroni e questi iniziano a produrre opsine;
2. Creazione diretta di animali geneticamente modificati che esprimono opsine in determinate aree del cervello o iniezione di vettori virali in utero nel cervello di organismi modello.

Ricerche

A seconda del campo di ricerca si usa una strategia o un’altra in un organismo modello, che generalmente è il topo. Ma in ogni caso, il risultato è che abbiamo un organismo vivente con opsine nei suoi neuroni. Di conseguenza, se quei neuroni vengono stimolati con la luce, le opsine reagiranno a essa generando un’attivazione o un’inibizione dei neuroni in base alle modifiche che abbiamo effettuato. E poiché è possibile essere molto specifici nella scelta di quali neuroni esprimono opsina e quali no, il risultato è che possiamo regolare a piacimento l’attività di percorsi neuronali specifici.

Questo è fondamentale per identificare la funzione di ciascun circuito neuronale. Ad esempio, se sospettiamo che l’attivazione di alcuni neuroni aumenti l’appetito, possiamo generare un topo che abbia opsine in quei neuroni, stimolare quelle cellule con la luce e vedere se il topo ingerisce più calorie. Inoltre, letteralmente il sistema funziona come un interruttore, così possiamo spegnere o accendere quei neuroni quando vogliamo mentre osserviamo come cambia, o meno, il comportamento dell’animale in tempo reale.

Ciò ha trasformato l’optogenetica in lo strumento più potente per gli studi sul comportamento, ma il suo potenziale risiede anche nello studio dello sviluppo cerebrale, poiché possiamo provocare cambiamenti nell’attività neuronale per poi analizzare se ciò altera o meno lo sviluppo del sistema nervoso.

Sfide dell’optogenetica

Tuttavia, è sempre importante ricordare che si tratta ancora di ricerca biomedica di base, che deve superare molte sfide prima di poter essere utilizzata in clinica. Questi sono due dei principali ostacoli:

1. Di solito si riesce a stimolare le cellule con luce impiantando un dispositivo intracranico. Ciò, sebbene chirurgicamente possibile, è un fattore da tenere fortemente in considerazione se si parla di un possibile utilizzo sugli esseri umani.
2. Perché la tecnica funzioni è necessario manipolare geneticamente l’organismo. Ad oggi è già possibile creare primati non umani transgenici, sebbene siano estremamente rari e il loro utilizzo sia molto più complesso rispetto a quello di altri organismi modello. Tuttavia, anche quando saranno superati i problemi tecnici, ciò non eliminerà il conflitto etico di dover utilizzare l’ingegneria genetica sugli esseri umani per poter applicare, in ambito biomedico, l’optogenetica.

È chiaro che le sfide, sia tecniche sia morali, che l’optogenetica presenta sono commisurabili al suo grande potenziale nel campo delle neuroscienze, perciò si tratta di una tecnica da seguire con particolare interesse nei prossimi anni.

Riferimenti

• Deubner, J., Coulon, P., & Diester, I. (2019). Optogenetic approaches to study the mammalian brain. Current Opinion in Structural Biology, 57(1), 157–163.
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• 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.

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