Инженеры Массачусетского технологического института разработали первую светочувствительную молекулу, которая позволяет неинвазивно заглушать нейроны, используя источник света за пределами черепа. Это позволяет проводить длительные исследования без имплантированного источника света. Белок, известный как Jaws, также позволяет одновременно воздействовать на больший объем ткани.
Исследователи говорят, что этот неинвазивный подход может проложить путь к использованию оптогенетики у людей для лечения эпилепсии и других неврологических расстройств, хотя требуется гораздо больше испытаний и разработок. Под руководством Эд Бойдена, доцента кафедры биологической инженерии, мозговых и когнитивных наук Массачусетского технологического института, исследователи описали этот белок в выпуске журнала Nature Neuroscience от 29 июня.
Оптогенетика, методика, разработанная за последние 15 лет, стала обычным лабораторным инструментом для отключения или стимуляции определенных типов нейронов в головном мозге, что позволяет нейробиологам гораздо больше узнать об их функциях.
Исследуемые нейроны должны быть генетически сконструированы для производства светочувствительных белков, известных как опсины, которые представляют собой каналы или насосы, которые влияют на электрическую активность, контролируя поток ионов в клетки или из них. Затем исследователи вставляют в мозг источник света, например оптическое волокно, для управления выбранными нейронами.
Однако такие имплантаты могут быть трудными для установки и могут быть несовместимы со многими видами экспериментов, такими как исследования развития, во время которых мозг меняет размер, или нейродегенеративных расстройств, во время которых имплантат может взаимодействовать с физиологией мозга. Кроме того, с этими имплантатами сложно проводить длительные исследования хронических заболеваний.
Горное разнообразие природы
Чтобы найти лучшую альтернативу, Бойден, аспирантка Эми Чуонг и коллеги обратились к миру природы.
Многие микробы и другие организмы используют опсины для обнаружения света и реакции на окружающую среду. Большинство природных опсинов, используемых в настоящее время в оптогенетике, лучше всего реагируют на синий или зеленый свет.
Команда Бойдена ранее идентифицировала два светочувствительных насоса хлорид-ионов, которые реагируют на красный свет и могут проникать глубже в живые ткани.
Однако эти молекулы, обнаруженные в бактериях Haloarcula marismortui и Haloarcula vallismortis, не индуцировали достаточно сильный фототок — электрический ток в ответ на свет — чтобы быть полезными для контроля активности нейронов.
Чуонг решил улучшить фототок, ища родственников этих белков и проверяя их электрическую активность. Затем она сконструировала одного из этих родственников, создав множество разных мутантов. Результат этого экрана, Jaws, сохранил свою чувствительность к красному свету, но имел гораздо более сильный фототок — достаточный, чтобы отключить нервную активность.
«Это демонстрирует, как геномное разнообразие природного мира может дать мощные реагенты, которые могут быть полезны в биологии и нейробиологии», — говорит Бойден, член Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института и Института исследований мозга Макговерна.
Используя этот опсин, исследователи смогли отключить нейронную активность в мозгу мыши с помощью источника света за пределами головы животного. Подавление происходило на глубине до 3 миллиметров в мозгу и было столь же эффективным, как и существующие глушители, которые полагаются на другие цвета света, доставляемые с помощью обычного инвазивного освещения.
По словам Гаррета Стубера, доцента психиатрии, клеточной биологии и физиологии в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл, ключевым преимуществом этого опсина является то, что он может позволить проводить оптогенетические исследования животных с большим мозгом.
«У животных с большим мозгом люди испытывали трудности с получением поведенческих эффектов с помощью оптогенетики, и одна из возможных причин заключается в том, что подавляется недостаточное количество ткани», — говорит он. "Это потенциально могло бы облегчить."
Восстановление зрения
Работая с исследователями из Института биомедицинских исследований Фридриха Мишера в Швейцарии, команда Массачусетского технологического института также проверила способность Jaws восстанавливать светочувствительность клеток сетчатки, называемых колбочками. У людей с заболеванием, называемым пигментным ретинитом, колбочки медленно атрофируются, что в конечном итоге приводит к слепоте.
Ученые из Института Фридриха Мишера Ботонд Роска и Фолькер Бускэмп ранее показали, что у мышей можно восстановить некоторое зрение, сконструировав эти колбочки для экспрессии светочувствительных белков. В новой статье Роска и Бускамп протестировали белок Jaws в сетчатке мышей и обнаружили, что он более похож на естественные опсины глаза и предлагает больший диапазон светочувствительности, что делает его потенциально более полезным для лечения пигментного ретинита.
Этот тип неинвазивного подхода к оптогенетике также может представлять собой шаг к разработке оптогенетических методов лечения таких заболеваний, как эпилепсия, которые можно контролировать, отключая нейроны с ошибками, вызывающие судороги, говорит Бойден. «Поскольку эти молекулы происходят не от человека, а от других видов, необходимо провести множество исследований, чтобы оценить их безопасность и эффективность в контексте лечения», — говорит он.
Лаборатория Бойдена работает со многими другими исследовательскими группами над дальнейшим тестированием опсина Jaws для других приложений. Команда также ищет новые светочувствительные белки и работает над подходами к высокопроизводительному скринингу, которые могут ускорить разработку таких белков.
Исследования в Массачусетском технологическом институте финансировались Джерри и Мардж Бернетт, Агентством перспективных исследовательских проектов в области обороны, Программой научных исследований Human Frontiers, IET A. F. Премия Харви, стипендия Джанет и Шелдона Разина ’59 Института Макговерна Массачусетского технологического института, Премия исследователя Робертсона Нью-Йоркского фонда стволовых клеток, Национальные институты здравоохранения, Национальный научный фонд и Уоллес Х. Фонд Коултера.