211service.com
Genetyczne „przełączniki światła” kontrolują ruch mięśni
Wykorzystując światłoczułe białka z jednokomórkowej alg i maleńki mankiet LED umieszczony na nerwie, naukowcy pobudzili mięśnie nóg myszy do kurczenia się w odpowiedzi na milisekundowe impulsy światła.
Lekki ruch: Ten obraz przedstawia przekrój mysiego nerwu kulszowego, który został genetycznie zmodyfikowany, aby wytworzyć światłoczułe białko (zaznaczone na zielono). Naukowcy ze Stanford wykorzystali to białko do wywołania ruchów mięśni w nodze zwierzęcia.
Badanie opublikowane w czasopiśmie Medycyna natury , oznacza pierwsze zastosowanie powstającej technologii znanej jako optogenetyka do kontrolowania ruchów mięśni. Opracowany przez współautora badania Karl Deisseroth , profesor nadzwyczajny bioinżynierii oraz psychiatrii i nauk behawioralnych na Uniwersytecie Stanforda, optogenetyka umożliwia stymulowanie neuronów światłem poprzez wstawienie genu białka zwanego rodopsyną kanałową-2, pochodzącego z alg zielonych. Kiedy zmodyfikowany neuron jest wystawiony na działanie niebieskiego światła, białko inicjuje aktywność elektryczną wewnątrz komórki, która następnie rozprzestrzenia się od neuronu do neuronu. Kontrolując, które neurony wytwarzają białko, a także które komórki są wystawione na działanie światła, naukowcy mogą kontrolować aktywność neuronów u żywych zwierząt z niespotykaną dotąd precyzją. Inny starszy autor artykułu, Scott Delp , profesor bioinżynierii, inżynierii mechanicznej i chirurgii ortopedycznej w Stanford, mówi, że metoda kontroli optycznej zapewnia fantastyczną przewagę nad stymulacją elektryczną w jego badaniu mięśni i biomechaniki ruchu człowieka.
Członkowie laboratorium Deisserotha zmodyfikowali myszy do produkcji rodopsyny kanałowej-2 zarówno w ośrodkowym, jak i obwodowym układzie nerwowym. Michael Llewellyn, były doktorant w laboratorium Delp, opracował maleńki, wszczepialny mankiet LED, który równomiernie rozprowadza światło na nerw. Umieścił mankiet na nerwach kulszowych znieczulonych myszy i uruchomił milisekundowe impulsy światła. To spowodowało skurcz mięśni nóg myszy. Kiedy Llewellyn porównał skurcze mięśni stymulowane światłem z tymi generowanymi przy użyciu podobnego mankietu elektrycznego, odkrył, że skurcze wywołane światłem były znacznie bardziej podobne do normalnej aktywności mięśni.
Mięśnie składają się z dwóch różnych włókien: małych, wolnych, odpornych na zmęczenie włókien, które są zwykle używane do zadań wymagających precyzyjnej kontroli motorycznej przez dłuższy czas, oraz większych, szybszych włókien, które mogą wytwarzać większe siły, ale są bardziej podatne na zmęczenie. W ciele małe, wolne włókna są najpierw aktywowane, a duże, szybkie włókna są zarezerwowane dla szybkich przypływów mocy lub szybkości. Kiedy mięśnie są stymulowane impulsami elektrycznymi, najpierw aktywują się szybkie włókna. Jednak w przypadku przełącznika optogenetycznego włókna były rekrutowane w normalnym, fizjologicznym porządku: najpierw włókna wolne, potem włókna szybkie. Zmieniając intensywność światła, Llewellyn odkrył, że może nawet wyzwalać tylko powolne włókna – wyczyn niemożliwy do osiągnięcia przy stymulacji elektrycznej.
W najbliższym czasie, mówi Delp, technologia poprawi badania prowadzone przez jego laboratorium i inne osoby nad aktywnością mięśni w zwierzęcych modelach udaru, porażenia, stwardnienia zanikowego bocznego i innych zaburzeń nerwowo-mięśniowych. Ma również nadzieję, że z czasem – przyznaje – takie przełączniki optyczne mogą być wykorzystywane do pomocy pacjentom z niepełnosprawnością fizyczną spowodowaną uszkodzeniem nerwów, takim jak udar, uraz rdzenia kręgowego lub porażenie mózgowe. Jedną z możliwości, jak mówi, byłoby zastosowanie stymulacji optycznej zamiast funkcjonalnej stymulacji elektrycznej (FES), w której prąd elektryczny jest przykładany do określonych nerwów lub mięśni w celu wywołania skurczów mięśni. Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków zatwierdziła już urządzenia FES, które mogą przywracać funkcje rąk i kontrolę pęcherza u niektórych sparaliżowanych osób. Jednak FES może szybko doprowadzić do zmęczenia mięśni. Delp ma nadzieję, że zwłaszcza w przypadku funkcji chwytania, użycie stymulacji optycznej może skutkować lepszą odpornością na zmęczenie i być może lepszą kontrolą mięśni.
To genialne studium, naprawdę piękna nauka, mówi Robert Kirsch , bioinżynier na Uniwersytecie Case Western Reserve i zastępca dyrektora Centrum Funkcjonalnej Stymulacji Elektrycznej w Cleveland; nie był zaangażowany w badania. Myślę, że istnieje wiele [implikacji klinicznych], mówi, chociaż, podobnie jak Delp i Llewellyn, zauważa, że wiele wysokich przeszkód musi zostać pokonanych – między innymi opracowanie bezpiecznego, skutecznego sposobu dostarczania genu rodopsyny-2 kanałowej do nerwów. komórki u ludzi. W przeciwnym razie, Kirsch mówi, moim jedynym zastrzeżeniem byłoby ich sugerowanie, że rozwiązali problem zmęczenia za pomocą FES. Jestem prawie pewien, że tak się nie stało. Kirsch uważa, że większość zmęczenia obserwowanego u pacjentów z FES wynika z atrofii i osłabienia mięśni, które rozwijają się u przewlekle sparaliżowanych.
CJ Heckman , profesor fizjologii z Feinberg School of Medicine na Northwestern University, zgadza się: To prawda, że wiele zmęczenia obserwowanego u pacjentów z FES jest spowodowane przewlekłą atrofią mięśni. Ale, jak mówi, jeśli możesz wielokrotnie stymulować mięśnie we właściwej kolejności rekrutacji, możesz potencjalnie odzyskać wiele funkcji mięśni. To może pomóc pacjentom z paraliżem zachować ich powolne włókna mięśniowe, co byłoby ogromną sprawą, mówi Heckman. Dzieje się tak, ponieważ włókna te wykonują ogromny procent pracy mięśni – od utrzymywania postawy po pisanie na klawiaturze.
Delp uważa również, że ćwiczenia oparte na stymulacji mogą być ważnym zastosowaniem do optycznej kontroli mięśni, podobnie jak pomaganie osobom poruszającym się na wózku inwalidzkim w sięganiu po książki lub talerze w szafce. Nie jestem jednak zbyt zajęty kontrolowaniem lokomocji – to znaczy chodzeniem – za pomocą stymulacji elektrycznej lub optycznej, mówi Delp. To niezwykle skomplikowany schemat dowodzenia i kontroli, który naprawdę trudno koordynować.
W międzyczasie Delp i Llewellyn podjęli próbę zastosowania innego światłoczułego białka, halorodopsyny, do hamowania nerwów ruchowych u myszy, z zamiarem leczenia, a nawet wyleczenia spastyczności mięśni, często poważnego efektu ubocznego dla urazu mózgu lub kręgosłupa. . Obecne metody leczenia są dalekie od ideału; lekarze mogą co kilka miesięcy wstrzykiwać toksynę botulinową do dotkniętych chorobą mięśni, aby je sparaliżować, stosować leki doustne, takie jak Valium, które działają na całe ciało zamiast tylko na dotknięty mięsień lub, w najcięższych przypadkach, przecinają nerwy lub ścięgna spastycznego mięsień – stałe leczenie, które pozostawia pacjentowi brak kontroli nad tym mięśniem. Delp ma nadzieję, że genetyczna inżynieria nerwów za pomocą halorodopsyny może umożliwić ludziom wykorzystanie światła do odwracalnego rozluźnienia mięśni dotkniętych spastycznością.
Myślę, że to świetny pomysł na leczenie spastyczności, mówi Jerry Silver , neurolog w Case Western. Jednak po drodze mogą pojawić się pewne trudności, mówi. Współpracując z kolegami z Case, Silver założył firmę o nazwie LucCell, aby rozwijać kliniczne zastosowania optogenetyki. W jednym z projektów firmy naukowcy próbują użyć halorodopsyny i innych hamujących opsyn w modelach zwierzęcych, aby wyłączyć mięsień kontrolujący zwieracz pęcherza moczowego; ich ostatecznym celem jest przywrócenie funkcji pęcherza osobom sparaliżowanym. Chociaż widzieli pewne zmiany fizjologiczne w zachowaniu mięśnia zwieracza, nie byli w stanie go wystarczająco rozluźnić. Uczymy się, że łatwiej jest włączać niż wyłączać, mówi. Mimo to zespół nie ustaje, szukając lepszych sposobów dostarczania genu do komórek nerwowych i sposobów na zwiększenie produkcji białka na powierzchni komórki.
Wszystko zależy od zdolności do umieszczenia transgenu we właściwym miejscu w genomie danej osoby bez powodowania problemów, zgadza się Llewellyn. To główna przeszkoda.