Что такое оптогенетика?

Др. Пабло Барречегурен объясняет, что такое оптогенетика, её доклинические результаты и технические, а также моральные вызовы этой методики.

Из всех техник, разработанных в нейронауке за последние годы, без сомнения, оптогенетику быстрее всего стали принимать как рабочий инструмент в лабораториях.

Ее применение достигло таких масштабов, что уже начинают получать впечатляющие доклинические результаты. Например, в настоящее время изучают её применение в качестве терапии при лечении неврологических нарушений зрения и, продолжая тему чувств, уже удалось разработать у грызунов системы, позволяющие восстановить часть слуха, используя эту технологию в качестве возможной альтернативы современным кохлеарным имплантам. Хотя эти результаты доклинические и скромные, они всё равно велики, если учесть юный возраст этой технологии, но… что же такое оптогенетика на самом деле?

Что такое оптогенетика на самом деле

Оптогенетика основывается на использовании светочувствительных ионных каналов и насосов (опсинов) для активации или ингибирования нейронов, что позволяет манипулировать нейронной активностью in vivo. При этом следует учитывать, что опсины вводятся с помощью генной инженерии, применяя два различных подхода:

1. Введение вирусных векторов во взрослых особей. В этом случае генерируют вирусные частицы, несущие опсины, вводят вирусы непосредственно в область мозга, где планируется применение оптогенетики; вирусы инфицируют нейроны, и они начинают вырабатывать опсины;
2. прямое создание генетически модифицированных животных, экспрессирующих опсины в определённых областях мозга, или введение вирусных векторов in utero в мозг модельных организмов.

Исследования

В зависимости от области исследования применяют ту или иную стратегию в модельном организме, которым обычно являются мыши. Но в любом случае результат один — у нас есть живой организм с опсинами в нейронах. В результате, если эти нейроны стимулировать светом, опсины отреагируют, вызывая активацию или ингибирование нейронов в зависимости от внесённых нами изменений. А поскольку можно довольно точно выбирать, какие нейроны будут экспрессировать опсины, а какие нет, мы можем по желанию регулировать активность конкретных нейронных путей.

Это ключевой инструмент для выявления функций каждого нейронного ансамбля. Например, если мы предполагаем, что активация определённых нейронов повышает аппетит, мы можем создать мышь, экспрессирующую опсины в этих нейронах, стимулировать эти клетки светом и проверить, потребляет ли мышь больше калорий. Более того, буквально система работает как переключатель, так что мы можем включать или выключать эти нейроны, когда захотим, и наблюдать в реальном времени, как меняется поведение животного.

Это превратило оптогенетику в самый мощный инструмент для исследований поведения, но её потенциал также проявляется в изучении развития мозга, поскольку мы можем вызывать изменения в нейронной активности и затем анализировать, влияет ли это на развитие нервной системы.

Вызовы оптогенетики

Тем не менее всегда важно помнить, что это по-прежнему фундаментальные биомедицинские исследования, которым предстоит преодолеть множество трудностей, прежде чем их можно будет применять в клинике. Ниже — два основных препятствия:

1. Обычно стимулировать клетки светом удаётся путем имплантации интракраниального устройства. Хотя это хирургически выполнимо, это важный фактор, который следует учитывать при возможном применении на людях.
2. Для работы техники необходимо генетически модифицировать организм. На сегодняшний день уже возможно создавать трансгенных нечеловеческих приматов, однако они исключительно редки и их использование намного сложнее, чем у других модельных организмов. Но даже когда технические проблемы будут решены, это не устранит этический конфликт, связанный с необходимостью применения генной инженерии на людях для биомедицинского применения оптогенетики.

Очевидно, что технические и моральные вызовы, связанные с оптогенетикой, сопоставимы с её огромным потенциалом в нейронауках, поэтому эта методика заслуживает пристального внимания в ближайшие годы.

Литература

• 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, вас могут заинтересовать и другие его опубликованные статьи:

Эта статья была переведена, ссылка на оригинальную статью на испанском:
¿Qué es la optogenética?