Эд Бойден, доцент Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института и член Института исследования мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте. Фото: Доминик Рейтер
В США более 1 миллиона слепых.S., и около 100000 из них потеряли зрение из-за пигментного ретинита, болезни, которая разрушает светочувствительные клетки сетчатки.
В настоящее время нет лекарства от пигментного ретинита, но ученые работают над способами восстановить зрение, сделав другие клетки сетчатки, которые избавлены от болезни, чувствительными к свету. В новом исследовании мышей исследователи из Университета Южной Калифорнии (USC) использовали технологию, разработанную консорциумом институтов, включая Массачусетский технологический институт, чтобы сделать именно это. Вызывая светочувствительность в других клетках сетчатки, они вернули мышам достаточно зрения, чтобы они могли ориентироваться в лабиринте.
Ключом к работе является технология под названием оптогенетика, совместно изобретенная Эдом Бойденом из Массачусетского технологического института, который является автором статьи о работе, опубликованной 19 апреля в онлайн-выпуске журнала Molecular Therapy. Бойден говорит, что исследование, проведенное Аланом Хорсагером из Института генетической медицины Университета Южной Калифорнии, дает надежду на то, что в конечном итоге оптогенетика может быть использована для восстановления зрения у людей.
«Мы не знаем наверняка, что животные видят сознательно, но это исследование показывает, что мыши могут когнитивно использовать свою визуальную информацию». говорит Бойден, доцент Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института и член Института исследования мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте.
Пигментный ретинит может быть вызван любой из более чем 100 различных генетических мутаций, каждая из которых приводит к постепенному разрушению светочувствительных клеток, называемых фоторецепторами, которые образуют самый внешний слой сетчатки. Они преобразуют свет в электрические сигналы, которые отправляются в нейроны среднего слоя сетчатки, известные как биполярные клетки. Биполярные клетки отправляют визуальную информацию во внутренний слой, состоящий из ганглиозных клеток, которые затем подключаются к мозгу через зрительный нерв.
Оптогенетика предлагает возможность обходить поврежденные фоторецепторы. Технология включает в себя генетическую инженерию других типов клеток, которые реагируют на свет, путем добавления генов, кодирующих белки, называемые родопсинами, которые обычно находятся в мембране фоторецепторной клетки. Те каналы, которые активируются светом, контролируют поток ионов (заряженных молекул) внутрь или из клетки. Когда свет попадает на клетку, каналы могут открываться или закрываться, стимулируя или подавляя поток ионов и, следовательно, электрическую активность клетки.
?? Это очень целенаправленный подход, который поддерживает естественную обработку сетчатки, ?? Horsager говорит. Необходимо понять гораздо больше, но первоначальные данные свидетельствуют о том, что мы разработали что-то, что может принести огромную пользу людям. Доклинические исследования – следующий шаг к определению потенциальной терапевтической пользы для человека.??
Восстановление светочувствительности
За последние пять лет многие исследовательские группы изучали возможность восстановления зрения с помощью оптогенетики. В новом исследовании Хорсагер и Бойден сосредоточились на том, чтобы сделать биполярные клетки сетчатки чувствительными к свету. Чтобы эффективно доставить гены канального родопсина в эти клетки, Хорсагер заручился помощью Уильяма Хаусвирта, профессора генетики Университета Флориды и эксперта по разработке вирусов, которые могут доставлять гены в глаз.
Исследователи решили воздействовать на подмножество биполярных клеток, называемых ON-клетками. Включенные клетки активируются при ярком свете, а выключенные биполярные клетки подавляются ярким светом. Чтобы гарантировать, что ген канального родопсина экспрессируется только в клетках ON, исследователи включили последовательность ДНК, которая, как известно, управляет экспрессией гена именно в этих клетках.
Изображение стержневых биполярных клеток сетчатки глаза человека. Изображение: микроскопия сетчатки.ком
Слепые мыши в исследовании имели одну из трех различных генетических мутаций, каждая из которых приводила к потере фоторецепторных клеток к тому времени, когда мыши достигли взрослого возраста. В возрасте восьми недель слепым мышам делали субретинальную инъекцию вируса, несущего ген канального родопсина. Ген был избирательно интегрирован в биполярные клетки ON.
Чтобы проверить свое зрение, мышей поместили в водный лабиринт с шестью ответвлениями, отходящими от центрального бассейна. Только одна рука предлагает выход, который горит. Зрячие мыши быстро учатся перемещаться по лабиринту, но (необработанным) слепым мышам труднее. Однако в конце концов они учатся находить выход из лабиринта, пробуя каждое из рук по очереди.
Сначала слепые мыши, получавшие ген родопсина канала, работали так же, как и необработанные мыши, но через две недели они смогли перемещаться по лабиринту так же хорошо, как и зрячие, и намного лучше, чем необработанные слепые мыши.
Исследователи обнаружили, что эффект длился до 10 месяцев, продолжительность исследования. Они также обнаружили, что лечение не вызывало иммунного ответа у мышей или каких-либо других побочных эффектов, обычно оцениваемых с помощью новой клинической технологии.
Шейла Ниренберг, доцент физиологии Медицинского колледжа Вейля Корнельского университета, говорит, что исследование убедительно показывает, что у мышей было восстановлено зрение. ?? Это сложно сделать, ?? она говорит. «Они успешно экспрессировали вирус в нужных клетках, они получили экспрессию, чтобы длиться долгое время, и они показали, что не было никаких вредных эффектов». все хорошие новости."
Визуальный ввод
В своей будущей работе исследователи планируют разработать новые поведенческие тесты, которые помогут им определить, какие визуальные данные на самом деле получают мыши. Например, они могли бы использовать разновидность водного лабиринта, в котором мыши должны различать разные формы ?? а не просто свет и тьма ?? чтобы узнать выход, – говорит Бойден.
Светочувствительные белки, которые можно использовать в оптогенетике, обнаружены в широком спектре организмов, включая растения, грибы и бактерии. В настоящее время Бойден изучает геномы растений и других видов, чтобы найти новые канальные родопсиноподобные белки, которые могут работать даже лучше, чем те, которые они в настоящее время используют.
Еще одним важным шагом является разработка оптического оборудования, которое может оказаться полезным, если это лечение будет разработано для пациентов-людей. Например, может потребоваться разработать очки, которые преобразуют различные уровни освещенности, с которыми пациент-человек может сталкиваться в повседневной жизни, в уровни, оптимальные для активации светозащитных каналов.
Этот рассказ переиздан с разрешения MIT News (веб-сайт.мит.edu / newsoffice /), популярный сайт, на котором освещаются новости об исследованиях, инновациях и преподавании Массачусетского технологического института.