Леченье — свет

В сторону света

Все началось с одноклеточной зеленой водоросли хламидомонады (Chlamydomonas), которая всегда плывет по направлению к свету, чтобы осуществить фотосинтез. Немецкий биофизик Петер Хегеманн долгое время изучал, что за датчик света помогает хламидомонаде ориентироваться в пространстве. Так был обнаружен каналродопсин — белок, расположенный на поверхности мембраны водоросли, в специализированном светочувствительном участке клетки — глазке. Он помогает водоросли определить, с какой стороны находится источник света. Белок превращает свет в электрический сигнал, заставляя клетку менять работу жгутиков, с помощью которых водоросль плывет, и развернуться в сторону света.

В 2002 году Георг Нагель с коллегами выделил этот белок и встроил его в чужеродные клетки (ооциты лягушки). Оказалось, что этот белок не нуждается в сложных сигнальных путях клетки. Стоило посветить на него синим светом, как он мгновенно менял форму, открывал внутренний канал и пропускал ионы, напрямую меняя электрический заряд клетки. В следующем году исследователи показали, что этот белок можно экспрессировать и в клетках млекопитающих.

Тогда же стало очевидно, что он не просто запускает молекулярный механизм, позволяющий клетке превращать свет в электрический сигнал, но и может работать в чужой клетке.

Вспышка для нейронов

Следующим шагом стала возможность с помощью этого белка управлять электрической активностью нервной клетки. И в 2005 году вышла работа Карла Дейссерота, в которой описывался эксперимент с использованием каналродопсина уже в нервных клетках. Правда, исследователи пошли немного другим путем — они не стали вводить в них белок, а заставили клетки его производить. Для этого в культуре были выращены нейроны гиппокампа крысы, затем с помощью лентивирусного вектора туда доставили ген каналродопсина. Таким образом нейрон получил генетическую инструкцию и начал производить чужеродный белок. Он мог оказаться неправильно свернутым, не попасть на мембрану или вообще не функционировать. Но все получилось. В итоге нейроны стали светочувствительными — вспышка синего света заставляла канал открываться, как бы имитируя естественный нервный импульс.

После эксперимента с нейронами в культуре довольно быстро появились исследования на живых животных. 

Методы электрического воздействия на нейроны существовали и прежде, но они были более сложные и менее точные. Нейроны в мозге образуют сложнейшие сети, и соседние клетки могут выполнять совершенно разные функции. Обычная электрическая стимуляция затрагивает сразу множество нейронов, в то время как оптогенетика позволяет выбрать клетки по их генетическим или функциональным характеристикам.

Где сегодня используют оптогенетику?

Сейчас оптогенетика развивается в двух направлениях. Первое — терапевтическое, здесь основные успехи достигнуты в области восстановления зрения. При тяжелых наследственных дегенерациях сетчатки часть ее клеток — фоторецепторы — постепенно погибают, но другая часть сохраняется. С помощью вирусного вектора в эти клетки можно доставить ген светочувствительного белка, чтобы они снова могли реагировать на свет. Уже ведутся клинические исследования, у части пациентов восстановилось восприятие света и наблюдалось клинически значимое улучшение остроты зрения. 

Тот же принцип можно использовать и для восстановления слуха. 

Второе направление — исследовательское. С помощью оптогенетики изучают нейронные цепи, отвечающие за память, страх и тревогу, мотивацию и систему вознаграждения, зависимость, сон, пищевое поведение, боль и социальное поведение.

Отдельное направление — эпилепсия. Приступ представляет собой патологическое распространение возбуждения по нейронным сетям. В экспериментах на животных исследователи научились с помощью светоуправляемых белков подавлять активность возбуждающих нейронов или, наоборот, активировать тормозящие. Пока это преимущественно исследовательский подход, но он показывает, что патологическую нейронную сеть в принципе можно подавлять очень избирательно.

То же относится к болезни Паркинсона. Оптогенетика позволяет буквально разбирать патологическую цепь по частям: активировать один тип нейронов, подавлять другой, анализировать, какие именно изменения возвращают животному нормальное движение. Это помогает понять, как работают методы стимуляции мозга и на какие нейронные пути стоит воздействовать при лечении двигательных нарушений.

На мышах с этим заболеванием исследователи пытаются решить одну из главных проблем оптогенетики — как доставить свет глубоко в мозг минимально инвазивным путем. Сейчас активно синтезируются и тестируются новые виды белков, чувствительные к дальнему красному и инфракрасному свету, который способен проходить сквозь ткани и даже кости черепа без повреждений.