Что такое оптогенетика?

Доктор Пабло Барречегурен рассказывает, что такое оптогенетика, каковы её доклинические результаты и какие технические и моральные проблемы связаны с этим методом.

Из всех методов, разработанных в нейронауке за последние годы, оптогенетика, пожалуй, быстрее всех стала обычным рабочим инструментом лабораторий.

Её используют настолько широко, что уже начинают получать впечатляющие доклинические результаты. Например, сегодня изучается её применение в качестве терапии проблем со зрением неврологической природы , а если продолжить тему органов чувств, то у грызунов уже удалось разработать системы, позволяющие частично восстановить слух с помощью этой технологии — как возможную альтернативу современным кохлеарным имплантам. Хотя эти результаты доклинические и скромные, они впечатляют, если учесть, насколько молод этот метод. Но… что же такое оптогенетика?

Что такое оптогенетика

Оптогенетика основана на использовании светочувствительных ионных каналов и насосов (опсинов) для активации или торможения нейронов, что позволяет управлять нейронной активностью in vivo. При этом нужно учитывать, что наличие опсинов достигается с помощью генной инженерии, и здесь возможны два варианта:

1. введение вирусных векторов во взрослые организмы. В этом случае создаются вирусные частицы, несущие опсины; вирусы вводят непосредственно в область мозга, где планируется применять оптогенетику, они заражают нейроны, и те начинают вырабатывать опсины;
2. прямое создание генетически модифицированных животных, у которых опсины экспрессируются в определённых областях мозга, или введение вирусных векторов in utero в мозг модельных организмов.

Исследования

В зависимости от области исследований используется та или иная стратегия на модельном организме, обычно на мышах. Но так или иначе в результате у нас есть живое существо с опсинами в нейронах. Поэтому, если стимулировать эти нейроны светом, опсины отреагируют, вызывая активацию или торможение нейронов в зависимости от внесённых изменений. А поскольку можно довольно точно выбрать, какие нейроны будут экспрессировать опсин, а какие нет, в итоге мы можем по желанию регулировать активность конкретных нейронных путей.

Это ключ к выяснению функции каждой нейронной сети. Например, если мы подозреваем, что активация определённых нейронов усиливает аппетит, можно создать мышь с опсинами в этих нейронах, стимулировать эти клетки светом и посмотреть, будет ли мышь потреблять больше калорий. Более того, система буквально работает как выключатель, поэтому мы можем включать и выключать эти нейроны когда угодно, наблюдая в реальном времени, меняется ли поведение животного.

Это сделало оптогенетику самым мощным инструментом поведенческих исследований, но её потенциал заключается и в изучении развития мозга, поскольку можно вызывать изменения нейронной активности, а затем анализировать, влияет ли это на развитие нервной системы.

Проблемы оптогенетики

Тем не менее всегда важно помнить, что пока это фундаментальные биомедицинские исследования, которым предстоит преодолеть множество препятствий, прежде чем их можно будет использовать в клинике. Вот два главных препятствия:

1. Обычно стимуляция клеток светом обеспечивается имплантацией внутричерепного устройства. Хотя хирургически это возможно, этот фактор очень важно учитывать, если речь идёт о возможном применении у людей.
2. Чтобы метод работал, нужно генетически модифицировать организм. Сегодня уже можно создавать трансгенных приматов (кроме человека), хотя они крайне редки, а работать с ними гораздо сложнее, чем с другими модельными организмами. Но даже когда технические проблемы будут решены, это не снимет этического конфликта, связанного с необходимостью применять генную инженерию у людей ради биомедицинского использования оптогенетики.

Очевидно, что технические и моральные проблемы оптогенетики сопоставимы с её огромным потенциалом в нейронауке, поэтому за этим методом стоит особенно внимательно следить 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 доктора Пабло Барречегурена об оптогенетике, вас могут заинтересовать и другие его публикации: