Свет, который помогает понять мозг: оптогенетика в медицине

Как исследования водорослей дали нейробиологам инструмент для изучения болезни Паркинсона, депрессии и боли — и открыли путь к частичному восстановлению зрения.

Мозг состоит из множества взаимодействующих нервных клеток. Наблюдая их активность, исследователь может увидеть, какие участки включаются при движении, боли или переживании эмоций. Но совпадение активности с событием ещё не доказывает, что именно эти клетки его вызывают.

Оптогенетика позволяет проверить такую связь экспериментально: изменить активность выбранной группы нейронов с помощью света и посмотреть, что произойдёт. Благодаря этому учёные получили возможность точнее изучать механизмы заболеваний и искать мишени для будущего лечения. [8]

Как клетка становится чувствительной к свету

В основе метода лежат светочувствительные белки — опсины. Один из них, каналородопсин-2, был изучен у зелёной одноклеточной водоросли. При освещении он открывает канал в клеточной мембране, через который проходят положительно заряженные ионы. [1]

Чтобы использовать этот механизм в нейроне, в клетку вводят ген соответствующего белка. После этого нейрон сам производит светочувствительный белок. В работе 2005 года исследователи показали, что световые импульсы позволяют управлять активностью таких нервных клеток с точностью до миллисекунд. [2]

Разные оптогенетические инструменты позволяют возбуждать или подавлять активность клеток. Для этого необходимо решить три задачи: доставить ген в нужные клетки, обеспечить образование белка и направить свет к выбранной ткани. Поэтому медицинская оптогенетика предполагает сочетание генетических и оптических технологий. [8]

Болезнь Паркинсона: разобраться, какие цепи управляют движением

При болезни Паркинсона нарушается работа нейронных цепей, участвующих в управлении движением. Оптогенетика помогает исследовать отдельные элементы этих цепей.

В работе 2009 года на грызунах с моделью паркинсонизма учёные раздельно воздействовали на клетки и нервные волокна в области субталамического ядра. Результаты показали, что уменьшение двигательных нарушений может быть связано со стимуляцией входящих в эту область аксонов. Это помогло уточнить возможные механизмы действия глубокой стимуляции мозга. [3]

В другом исследовании, опубликованном в 2010 году, активация прямого пути базальных ганглиев уменьшала двигательные нарушения у мышей с моделью болезни Паркинсона. [4]

Эти результаты показывают, какие нейронные цепи могут стать терапевтическими мишенями. Они получены на животных и сами по себе не доказывают эффективность оптогенетического лечения болезни Паркинсона у человека.

Депрессия: исследовать конкретные нейронные механизмы

Оптогенетика позволяет изучать, как отдельные цепи мозга участвуют в мотивации и поведении после стресса.

В исследовании 2010 года стимуляция медиальной префронтальной коры уменьшала некоторые проявления депрессивноподобного поведения у мышей после хронического социального стресса. Речь шла об экспериментальной модели, которая отражает лишь часть признаков человеческой депрессии. [5]

Работа 2013 года показала, что управление активностью определённых дофаминовых нейронов изменяет поведение, связанное с мотивацией и депрессивноподобными состояниями у грызунов. Она также связала эти изменения с обработкой сигналов в прилежащем ядре. [6]

Медицинская ценность таких экспериментов — в уточнении механизмов расстройства. Перенос результатов в клинику требует отдельной проверки эффективности и безопасности.

Боль: возможность воздействовать на передачу сигнала

В исследовании 2014 года учёные вводили гены возбуждающих или подавляющих опсинов в чувствительные нейроны мышей. Свет позволял усиливать либо уменьшать реакции на болевые стимулы. Подавляющий инструмент также снижал повышенную чувствительность в экспериментальной модели нейропатической боли. [7]

Такие работы помогают определить, какие клетки участвуют в передаче болевого сигнала. Для клинического применения необходимо дополнительно установить, насколько безопасно длительное изменение их активности и как сохранить полезную защитную чувствительность.

Восстановление зрения: результат у человека

Один из наиболее значимых клинических примеров опубликован в Nature Medicine в 2021 году. Пациенту с пигментным ретинитом и тяжёлой потерей зрения ввели в глаз вирусный вектор с геном светочувствительного белка ChrimsonR. Специальные очки преобразовывали изображение в световые сигналы, подходящие для активации изменённых клеток сетчатки.

После обучения пациент смог обнаруживать, находить и в некоторых заданиях подсчитывать предметы. Эти результаты получали при использовании специальных очков; без них соответствующего улучшения не наблюдали. Исследование продемонстрировало частичное восстановление зрительной функции у одного пациента, а не возвращение полноценного зрения. [9]

Что открытие даёт медицине

Оптогенетика уже стала важным инструментом исследования нервной системы. Она позволяет переходить от наблюдения активности мозга к экспериментальной проверке роли конкретных клеток и связей. [8]

Для болезни Паркинсона, депрессии и боли рассмотренные работы прежде всего раскрывают механизмы и помогают искать терапевтические мишени. В восстановлении зрения есть клиническое доказательство возможности частично вернуть функцию с помощью оптогенетического подхода. Дальнейшая задача — установить, у каких пациентов эффект воспроизводится, насколько он устойчив и каковы долгосрочные риски. [3, 5, 7, 9]

Автор: Степанов Д.А.