Оптогенетика без генетики

«Это эффективная оптогенетика без генетики», — сказал старший автор исследования Франсиско Безанилья, доктор философии, Лилиан Эйчелбергер Кэннон, профессор биохимии и молекулярной биологии в Чикагском университете. «Многие оптогенетические эксперименты теперь могут быть применены к полностью нормальным тканям или животным, что значительно расширяет возможности этих исследовательских инструментов и, возможно, позволяет использовать новые методы лечения, включающие фотостимуляцию нейронов."
Оптогенетика, использование света для управления нервной активностью, — это мощный метод, который широко используется в исследованиях нейробиологии. Он включает в себя генно-инженерные нейроны, которые экспрессируют светочувствительный белок, первоначально обнаруженный в водорослях. Это позволяет ученым стимулировать отдельные нейроны, а также нейронные сети точными вспышками света.

Однако, поскольку оптогенетика зависит от генетической модификации, ее использование в первую очередь ограничено относительно небольшим количеством модельных организмов.
Безанилла и его коллеги ранее показали, что нормальные, не генетически модифицированные нейроны могут активироваться теплом, генерируемым импульсами инфракрасного света.

Но этот метод недостаточно специфичен и может повредить клетки. Чтобы улучшить эту технику, они сосредоточились на золотых наночастицах — сферах диаметром всего 20 нанометров, что более чем в 300 раз меньше, чем клетка крови человека.
При стимуляции видимым светом сферические наночастицы золота поглощают и преобразуют световую энергию в тепло.

Этот эффект нагрева, который наиболее эффективен при использовании зеленого света, может активировать немодифицированные нейроны. Однако наночастицы должны находиться очень близко к клетке, чтобы произвести какой-либо эффект. Поскольку наночастицы быстро диффундируют или смываются в ближайшем окружении нейрона, их эффективность недолговечна.
Чтобы наночастицы прилипали, Безанилла и его команда соединили их с синтетической молекулой на основе Ts1, нейротоксина скорпиона, который связывается с натриевыми каналами, не блокируя их.

Нейроны, обработанные Ts1-связанными наночастицами в культуре, легко активируются светом. Необработанные нейроны не реагировали. Важно отметить, что обработанные нейроны все еще можно стимулировать даже после непрерывной промывки в течение 30 минут, что указывает на то, что наночастицы были прочно связаны с поверхностью клетки. Это также свело к минимуму потенциально опасные повышенные температуры, поскольку излишки наночастиц были смыты.

Нейроны, обработанные наночастицами, связанными с Ts1, можно стимулировать многократно без признаков повреждения клеток. Некоторые отдельные нейроны, нацеленные на миллисекундные импульсы света, вырабатывали более 3000 потенциалов действия в течение тридцати минут без снижения эффективности. Помимо культивированных клеток, наночастицы, связанные с Ts1, были протестированы на сложной мозговой ткани с использованием тонких срезов гиппокампа мыши. В этих экспериментах исследователи смогли активировать группы нейронов, а затем наблюдать результирующие паттерны нейронной активности.

"Техника проста в применении и выявляет нейронную активность с помощью световых импульсов. Поэтому стимулирующие электроды не требуются », — сказал Безанилла. «Кроме того, с наночастицами различной формы он может работать как в ближнем инфракрасном, так и в видимом диапазоне длин волн, что дает много практических преимуществ для живых животных.

До сих пор большинство оптогенетических инструментов ограничивалось видимыми длинами волн."
Хотя Ts1 был эффективен, он не позволял стимулировать не-Ts1-чувствительные популяции нейронов.

Чтобы разработать более общую стратегию нацеливания на клетки, исследователи соединили наночастицы с антителами, которые нацелены на другие высокоэкспрессируемые белки в нейронах. Они выбрали два антитела, которые связывают ионные каналы TRPV1 и P2X3. Подобно Ts1, нейроны, обработанные этими связанными с антителами наночастицами, активировались светом даже после непрерывной промывки.
То, что наночастицы могут быть связаны с различными антителами и сохранять эффективность, предполагает гибкость для будущих применений, включая терапевтические разработки для человека.

Например, при заболеваниях сетчатки, таких как возрастная дегенерация желтого пятна, фоторецепторные клетки, поглощающие световые сигналы, повреждены или мертвы. Однако нервные клетки сетчатки, которые несут визуальную информацию в мозг, часто остаются нетронутыми и здоровыми.

По словам авторов, наночастицы, нацеленные на эти клетки, могут потенциально поглощать свет и напрямую стимулировать нейроны, минуя дефектные фоторецепторы.
«Хотя необходимо провести много дополнительных исследований, чтобы определить осуществимость этого подхода с использованием наночастиц в качестве терапии восстановления зрения, наши результаты поощряют дальнейшие усилия, направленные на достижение этой важной клинической цели», — сказал соавтор исследования Дэвид Пепперберг, доктор философии, профессор Searls-Schenk. офтальмологии и визуальных наук в UIC.
Хотя никаких вредных эффектов не наблюдалось, команда отмечает, что токсичность возможна. Тем не менее, многие тесты на живых животных и клинические испытания на людях уже завершены с использованием составов наночастиц золота без серьезных побочных эффектов.

В настоящее время исследователи проверяют эффективность этого метода на животных моделях, чтобы проверить его потенциал для терапевтического использования.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *