Che cos’è l’optogenetica?

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

Tanto è il suo uso che si stanno già iniziando a ottenere risultati preclinici sorprendenti. Per esempio, al giorno d’oggi si sta analizzando il suo impiego come terapia nel trattamento di problemi della vista di origine neurologica e, proseguendo con i sensi, sono già stati sviluppati nei roditori sistemi che permettono di recuperare parte dell’udito utilizzando questo tipo di tecnologia come possibile opzione alternativa agli impianti cloqueari attuali. Pur essendo preclinici e modesti, questi sono grandi risultati se consideriamo la giovane età di questa tecnica, ma… Che cos’è esattamente l’optogenetica?

Che cos’è esattamente l’optogenetica

L’optogenetica si basa sull’uso 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 si ottiene tramite ingegneria genetica, potendo applicare due varianti differenti:

1. Iniezione di vettori virali in organismi adulti. In questo caso si generano particelle virali che portano le opsine, si iniettano i virus direttamente nella zona del cervello dove vogliamo 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 zone 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 in genere sono topi. Ma in ogni caso, il risultato è che abbiamo un essere vivente con opsine nei suoi neuroni. Di conseguenza, se quei neuroni vengono stimolati con la luce, le opsine reagiranno ad essa generando un’attivazione o un’inibizione dei neuroni in funzione delle modifiche che abbiamo effettuato. E poiché è possibile essere piuttosto specifici nella scelta di quali neuroni esprimono opsina e quali no, il risultato è che possiamo regolare a volontà l’attività di specifici percorsi neuronali.

Questo è fondamentale per identificare la funzione di ciascuna rete neuronale. Per 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, quindi possiamo spegnere o accendere quei neuroni quando vogliamo mentre osserviamo come cambia, o meno, il comportamento dell’animale in tempo reale.

Questo 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, la quale deve superare molte sfide prima di poter essere utilizzata in ambito clinico. Questi sono due dei principali ostacoli:

1. Normalmente si riesce a stimolare le cellule con la luce mediante l’impianto di un dispositivo intracranico. Questo, pur essendo chirurgicamente possibile, è un fattore da tenere molto in considerazione se parliamo di un possibile utilizzo sugli esseri umani.
2. Perché la tecnica funzioni è necessario manipolare geneticamente l’organismo. Al giorno d’oggi è già possibile creare primati non umani transgenici, sebbene siano estremamente rari e il loro uso sia molto più complesso rispetto ad altri organismi modello. Ma anche quando si risolveranno i problemi tecnici, ciò non eliminerà il conflitto etico di dover utilizzare ingegneria genetica sugli esseri umani per poter applicare biomedicalmente l’optogenetica.

È chiaro che le sfide, sia tecniche che morali, che presenta l’optogenetica sono commisurate al suo grande potenziale nel campo delle neuroscienze, perciò è una tecnica che va seguita 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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