AGH pracuje nad rewolucją w optogenetyce. Światło steruje neuronami

Naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej pracują nad przełomową techniką, która pozwala sterować neuronami za pomocą światła. Optogenetyka - bo tak się ona nazywa - to dziedzina, którą właśnie nagrodzono Nagrodą Nobla w fizjologii lub medycynie. Zespół z WIMiC (Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki) na AGH rozwija własne rozwiązania, które mogą zmienić sposób, w jaki leczymy zaburzenia neurologiczne.

Jak działa optogenetyka?

Podstawą techniki są opsyny - białka wrażliwe na światło. Aby sprawić, by neurony stały się światłoczułe, naukowcy wprowadzają instrukcje genetyczne za pomocą specjalnie zmodyfikowanych, nieszkodliwych wektorów wirusowych. Wektory te przenoszą materiał genetyczny do docelowych komórek.

Po wytworzeniu opsyna osadza się w błonie komórkowej. Gdy pada na nią światło, otwiera niewielki por. Przez ten otwór przenikają określone jony, co zmienia aktywność elektryczną neuronu. Naukowcy mogą wtedy aktywować lub dezaktywować wybrane neurony w dowolnym momencie.

Skąd pochodzą opsyny?

Naukowcy wykorzystują białka pochodzące z różnych organizmów. Opsyny mikrobiologiczne pochodzą z archeów, bakterii i alg - w naturalny sposób pomagają tym organizmom reagować na światło. Wybór konkretnego rodzaju opsyny zależy od eksperymentu, ponieważ różne typy reagują na różne długości fal światła - od niebieskiej do czerwonej.

W badaniach nagrodzonych Nagrodą Nobla wykorzystano kanałorodopsyny pochodzące z glonów zwanych zawłotniami. Innym rodzajem są opsyny zwierzęce, które naturalnie występują w fotoreceptorach siatkówki. W przeciwieństwie do opsyn mikrobiologicznych, opsyny wzrokowe uruchamiają łańcuch biochemicznych reakcji za pośrednictwem białek G.

Nowe zastosowania medyczne

Optogenetyka otwiera ogromne możliwości dla medycyny. Według dr Glori Lesly Jimenez Mirady z WIMiC, szczególnie ważnym osiągnięciem jest możliwość precyzyjnego badania, jak poszczególne grupy neuronów wpływają na zachowanie i zaburzenia neurologiczne.

"Optogenetyka pozwala analizować obwody neuronalne związane z nastrojem i zachowaniem, pomagając w zrozumieniu tych złożonych schorzeń oraz badaniu potencjalnych metod leczenia" - Dr Gloria Lesly Jimenez Miranda, WIMiC AGH

To szczególnie istotne w przypadku depresji, która ma znaczny wpływ na codzienne funkcjonowanie człowieka, jego relacje i aktywność zawodową. Na międzynarodowej scenie naukowcy testują już optogenetykę do przywrócenia reakcji wzrokowych u osób cierpiących na niektóre formy zwyrodnienia siatkówki. Badane są również metody poprawy precyzji stymulacji ślimaka w kierunku bardziej selektywnej stymulacji słuchowej.

Jak AGH chce zmienić optogenetykę?

Dotychczasowe eksperymenty wymagają wszczepiania maleńkich włókien światłowodowych bezpośrednio do mózgu, co jest procedurą inwazyjną. Zespół AGH pracuje nad mniej inwazyjnym podejściem - nanoprzekaźnikami światła opartymi na nanocząsteczkach konwersji w górę.

Jak to działa? Nanomateriały te przekształcają światło bliskiej podczerwieni - które wnika głębiej w tkanki biologiczne i słabiej się rozprasza - w światło widzialne, które może aktywować opsyny. Światło podczerwone wzbudza nanocząstki znajdujące się blisko komórek docelowych, a te emitują określony kolor niezbędny do aktywacji opsyn.

W laboratorium fotoniki na AGH naukowcy pracują nad poprawą wydajności i powtarzalności nanocząstek oraz nad zapewnieniem niezawodnych właściwości optycznych. Kolejne etapy to pokrycie materiałami biokompatybilnymi, ocena bezpieczeństwa oraz testy, czy nanocząstki wytwarzają wystarczającą ilość światła.

Dr Jimenez Miranda jest świadoma, że to droga. "Należy przeprowadzić jeszcze wiele szeroko zakrojonych badań, zanim będziemy mogli zastosować takie podejście u pacjentów" - przyznaje. Mimo to widzi potencjał: "Łączymy materiałoznawstwo, fotonikę i neurobiologię w poszukiwaniu nowych sposobów oddziaływania na żywe komórki za pomocą światła".

Inspiracja od laureata Nagrody Nobla

Kluczowy wpływ na kierunek badań AGH miał pobyt dr Jimenez Mirady w laboratorium prof. Karla Deisserotha na Uniwersytecie Stanforda - tegorocznego laureata Nagrody Nobla. Podczas warsztatów naukowczyni zdobyła praktyczne doświadczenie w wstrzykiwaniu opsyn i wszczepianiu włókien światłowodowych.

"Dzięki obejrzeniu eksperymentów na własne oczy, uświadomiłam sobie, jak ważne jest opracowywanie nanomateriałów o wystarczającej wydajności emisyjnej, aby wywołać pożądaną reakcję biologiczną" - Dr Gloria Lesly Jimenez Miranda, WIMiC AGH

Rozmowy z prof. Deisserothem dostarczyły też cennych wskazówek dotyczących doboru odpowiednich opsyn oraz zgodności między emisją światła nanomateriałów a światłoczułością białek, które zespół zamierza aktywować.

Źródło: AGH