Что такое оптогенетика?

Доктор Пабло Барречегурен объясняет, что такое оптогенетика, её доклинические результаты и вызовы — как технические, так и моральные — связанные с этой методикой.

Из всех методов, разработанных в нейронауке за последние годы, оптогенетика, пожалуй, быстрее всего стала привычным рабочим инструментом в лабораториях.

Её применение уже настолько широко, что начинают появляться впечатляющие доклинические результаты. Например, на сегодняшний день анализируется её использование в качестве терапии при лечении нарушений зрения нейрологического происхождения и, продолжая тему органов чувств, уже удалось разработать у грызунов системы, позволяющие восстановить часть слуха, используя эту технологию как возможную альтернативу нынешним кохлеарным имплантам. Пусть эти результаты доклинические и пока скромные, они всё же очень значимы, если учитывать крайнюю молодость этой методики. Но… что же такое оптогенетика на самом деле?

Что такое оптогенетика на самом деле

Оптогенетика основана на использовании светочувствительных ионных каналов и насосов (опсинов) для активации или подавления нейронов, что позволяет управлять активностью нейронов in vivo. При этом важно учитывать, что присутствие опсинов достигается с помощью генетической инженерии, и можно применить два разных варианта:

1. Инъекция вирусных векторов во взрослых организмов. В этом случае создаются вирусные частицы, несущие опсины; вирусы вводят непосредственно в участок мозга, где мы хотим применить оптогенетику; вирусы инфицируют нейроны, и те начинают производить опсины;
2. непосредственное создание генетически модифицированных животных, которые экспрессируют опсины в определённых зонах мозга, или инъекция вирусных векторов in utero в мозг модельных организмов.

Исследования

В зависимости от области исследования в модельном организме — обычно это мыши — используют ту или иную стратегию. Но как бы то ни было, результат таков: у нас есть живой организм с опсинами в нейронах. Следовательно, если эти нейроны стимулировать светом, опсины будут на него реагировать, вызывая активацию или подавление нейронов в зависимости от внесённых нами модификаций. А поскольку можно достаточно точно выбирать, какие нейроны будут экспрессировать опсин, а какие — нет, получается, что мы можем по своему желанию регулировать активность конкретных нейронных путей.

Это ключ к выявлению функции каждой нейронной сети. Например, если мы подозреваем, что активация определённых нейронов усиливает аппетит, мы можем создать мышь, у которой опсины будут в этих нейронах, стимулировать эти клетки светом и посмотреть, станет ли мышь потреблять больше калорий. Более того, буквально система работает как выключатель, так что мы можем включать или выключать эти нейроны, когда захотим, одновременно наблюдая, как меняется — или не меняется — поведение животного в реальном времени.

Это сделало оптогенетику самым мощным инструментом для исследований поведения, но её потенциал также велик и в изучении развития мозга, поскольку мы можем вызывать изменения нейронной активности и затем анализировать, влияет ли это на развитие нервной системы или нет.

Вызовы оптогенетики

Тем не менее всегда важно помнить, что речь всё ещё идёт об исследованиях в области базовой биомедицины, которым предстоит преодолеть множество препятствий, прежде чем методика сможет применяться в клинике. Вот два основных барьера:

1. Обычно удаётся стимулировать клетки светом посредством имплантации внутричерепного устройства. Это, хотя и возможно с точки зрения хирургии, является важнейшим фактором, если мы говорим о потенциальном применении у людей.
2. Чтобы методика работала, необходимо генетически модифицировать организм. На сегодняшний день уже возможно создавать трансгенных нечеловекообразных приматов, хотя они крайне редки, а их использование гораздо сложнее, чем у других модельных организмов. Но даже когда технические проблемы будут решены, это не устранит этический конфликт, связанный с необходимостью применять генетическую инженерию к людям, чтобы использовать оптогенетику в биомедицинских целях.

Очевидно, что технические и моральные вызовы, которые ставит оптогенетика, сопоставимы с её огромным потенциалом в нейронауке, поэтому за этой методикой стоит особенно внимательно следить в ближайшие годы.

Список литературы

• 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.

Если вам понравилась статья об оптогенетике доктора Пабло Барречегурена, возможно, вас также заинтересуют другие его опубликованные статьи:

«Эта статья была переведена. Ссылка на оригинальную статью на испанском:»
¿Qué es la optogenética?