До недавнего времени оптогенетика использовалась преимущественно в экспериментах. Отследить активность в конкретной части мозга, проследить связь между стимуляцией участка мозга и поведением субъекта. Главное её преимущество: точечный контроль отдельных цепей нейронных связей. Но насколько реально перепрошить геном человеческих нейронов, а потом стимулировать их светом, через вживленное или внешнее оптоволокно? Вот этому и посвящен новый материал!

Ключевые факторы и термины связанные с оптогенетикой

Как и писал ранее, я прекрасно понимаю, что контент немного специфический. Поэтому в начале статей делаю небольшой разбор базовых терминов и принципов из исследования:

Оптосенсорика. Использование оптоволокна, имплантированного в мозг, для подачи световых сигналов, точечно на клетки. Тем самым активируя их, или наоборот, подавляя их активность. Но для этого нужно, чтобы клетка могла реагировать на свет.

Оптогенетика. Использование генетической инженерии, чтобы наделить клетки мозга способностью воспринимать световые сигналы.

Риски отторжения. Технически, можно стимулировать клетки мозга и обычными проводниками. Тем более, что установка таких имплантов распространена для распознания участков мозга, что запускают эпилепсию. Но они быстро отторгаются организмом, провоцируют воспалительные процессы и на долгосрок вредят, но не помогают.

Поэтому объединив генетику, оптику и нейроимплантирование ученые могут эффективнее «перепрошить» работу нейронных связей.

Источник: Roadmap for direct and indirect translation of optogenetics into discoveries and therapies for humans

Автор-корреспондент исследования: Кристиан Люшер, швейцарский нейробиолог и профессор кафедры фундаментальных нейронаук Женевского университета

Оптогенетика. Вопросы безопасности для людей

Ключевой момент. Суть статьи не в том, чтобы проверить, как это работает. Оптогенетика работает, и это доказано в огромном пуле исследований. Задача, проверить насколько безопасно, точно и надолго можно интегрировать этот подход в живых людей.

Если удастся преодолеть базовые ограничения, оптогенетика предложит принципиально иной способ лечения неврологических расстройств, воздействуя на нейронные цепи, а не маскируя симптомы. Буквально работая с природой клеток, а не используя опасные экзогенные факторы.

В исследовании рассматривается, как оптогенетика, долгое время использовавшаяся для изучения нейронных цепей в лабораторных условиях, меняет статус с экспериментального инструмента на статус терапевтической платформы. Вместо описания одного эксперимента, в материале изложен более широкий план, показывающий, как эта методика изменила понимание функций мозга и какие биологические, технические и этические барьеры все еще препятствуют ее клиническому применению.

Оптогенетика: симбиоз генетики, имплантированного оптоволокна и поведенческих паттернов

В основе оптогенетики лежит наделение отдельных нервных клеток способностью реагировать на свет. Исследователи делают это, вводя гены, кодирующие светочувствительные белки, известные как опсины, в тщательно отобранные нейроны. Когда свет попадает на эти нейроны, он переключает их активность. Возбуждает или тормозит, в зависимости от заложенных свойств.

Вместо того чтобы влиять на весь мозг, как это делает любой препарат даже безобидный рацетам, оптогенетика работает как светорегулируемый точечный активатор, установленный на отдельных точках нейронной цепи. Это позволяет настраивать определенные клетки в сети, не затрагивая соседние клетки.

Именно такой уровень точности сделал оптогенетику столь эффективной в фундаментальных исследованиях и привлек внимание как врачей, так и ученых. Многие неврологические расстройства все чаще рассматриваются не как нарушения в работе целых отделов мозга, а как дисфункции в отдельных нейронных сетях. Причина дисфункций – сами клетки, которые активируются или слишком часто, или слишком редко, или в неподходящее время. Что отлично показал в статье про депрессию и шизофрению, как две стороны одной медали.

От простых решений к вопросам этики

Теоретически, оптогенетика предлагает точечное решение проблемы. На практике, выход за рамки экспериментов на животных, поднимает сложные вопросы о доставке генов, о том, как свет достигает глубоко расположенных или рассеянных целевых клеток, и о том, могут ли такие вмешательства оставаться безопасными и стабильными в течение многих лет, а не минут или часов. Что ж, эпоха трансгуманизма здесь, а нам остается что-то с этим делать.

С одной стороны, этические ограничения помогают сузить круг потенциальных областей применения оптогенетических методов лечения. Среди множества обсуждаемых расстройств, приоритетной целью выделяется хроническая боль. В отличие от сложных психических расстройств, многие формы нейропатической боли возникают из аномальной активности хорошо изученных периферических нервов и относительно четко локализованных цепей. Благодаря чему легче использовать как генную, так и световую виды терапии.

Доклинические исследования показывают, что оптогенетика способна избирательно подавлять болевые сигналы в экспериментах на животных, снижая болевые реакции без существенного подавления чувствительности или двигательной функции. Хоть эти эксперименты пока невозможно применять к людям, они объясняют, почему боль остается в центре внимания при обсуждении возможности применения оптогенетических методов.

Многие пациенты с хроническими болями проходят через целые серии процедур, включая прием лекарств, инъекции или деструктивные вмешательства, но облегчение оказывается неполным или временным.

Тройничный нерв, хроническая боль и подавление боли

Сочетание точности на уровне нейронных связей, при острой клинической потребности, побудило интерес к такому состоянию, как тригеминальная невралгия. Это расстройство, вызванное аномальной передачей сигналов в тройничном нерве, что вызывает сильную, эпизодическую боль в области лица.

Один из подходов применения оптогенетики разрабатывается бостонской компанией Modulight Biotherapeutics. Ученые работают именно над тройничным нервом – основным лицевым нервом, повреждение или раздражение которого вызывает мучительную хроническую боль.

В ходе амбулаторной процедуры врачи вводят ген опсина в нерв через естественное отверстие в черепе над верхней челюстью. Затем для подавления болевых сигналов используется свет низкой интенсивности, подаваемый либо наружно, либо через имплантированное волокно. Начало клинических испытаний на людях ожидается в течение следующих двух лет.

Случай выше – это даже не про мозг, его вообще не трогаем, работаем исключительно с нервом. Но уже возникают ограничения и сложности. Например, как безопасно доставить гены в нервные клетки человека до поддержания стабильной экспрессии, и как предотвратить перегрев тканей при подаче сигнала? Именно поэтому «феномен боли» остается наиболее реалистичной ранней площадкой для тестирования оптогенетической терапии. Но, опять же, это пока лишь полигон для испытаний, а не конечная цель.

Оптогенетика для подавления боли. Оптогенетика для восстановления зрения. Оптогенетика и эпилепсия

Оптогенетика допустима, как инструмент для снятия боли. При этом, она также интересна в плане восстановления зрения. Речь идет о частичном восстановлении путем введения опсинов в клетки сетчатки. И этот подход уже достиг стадии ранних клинических испытаний на людях.

Помимо периферических нервов и сетчатки, исследователи изучают возможность того, что оптогенетика способна подавлять судороги при трудноизлечимой эпилепсии или модулировать аномальную активность при двигательных расстройствах, таких как болезнь Паркинсона. Но задача усложняется мере того, как мишени становятся все глубже и распределеннее.

На практике для подачи света потребовалось бы имплантируемое оборудование и тщательный контроль интенсивности, чтоб не повредить ткани. Доставка генов, чаще всего с использованием аденоассоциированных вирусов, сопряжена со своими рисками, включая иммунные реакции и неопределенность в сроках экспрессии. Даже когда оптогенетический контроль работает на животных моделях, перенос этих результатов на размер, структуру и продолжительность жизни человеческого мозга остается открытой и сложной проблемой.

Оптогенетика, как инструмент понимания, но не решения

В настоящее время исследователи рассматривают оптогенетику не как инструмент избавления от болезни, а как инструмент понимания заболеваний. Выявляя, какие клетки и нейронные цепи вызывают конкретные симптомы, оптогенетические эксперименты детализируют разработку лекарств, стратегии стимуляции и нейромодуляционные устройства, не зависящие от света. В этом смысле технология влияет на медицину, даже несмотря на то, что ее самые амбициозные применения пока недостижимыми.

В этом контексте оптогенетика определяется не только способностью манипулировать нейронами с помощью света. Более глубокий сдвиг заключается в том, как эта возможность меняет представление о неврологических заболеваниях. План действий, изложенный в аналитической статье Nature Neuroscience, предполагает, что наиболее значимый вклад этой технологии может заключаться не в разработке отдельного метода лечения, а в изменении подхода к определению и решению неврологических проблем.

Тонкая связь между технологиями и биологией предлагает огромный потенциал для совершенствования природы человека. Как минимум через устранение явных ограничений и сложных проблем. Больше материалов по этой тематике вы найдете в сообществе Neural Hack. Подписывайтесь, чтобы держать под рукой полезный контент!

Потенциал оптогенетики в применении на людях. Возможности, риски и как именно можно использовать технологию?