Światło stanowi podstawę innowacyjnego podejścia opartego na białkach pochodzenia roślinnego, które otwiera nowe możliwości leczenia dla milionów pacjentów cierpiących na zaburzenia mózgu.
Schorzenia dotykające mózgu, takie jak choroba Alzheimera czy pląsawica Huntingtona, często wpływają na połączenia między neuronami, powodując zaburzenia funkcji poznawczych i motorycznych. Kora mózgowa, czyli zewnętrzna warstwa mózgu, która odpowiada za wyższe funkcje poznawcze, jest obecnie badana pod kątem roli w procesie patogenezy tych chorób.
Optogenetyka i jej wpływ na aktywność mózgu
Połączone obwody wchodzące w skład kory mózgowej, a także łączące różne obszary mózgu, od pewnego czasu są obiektem badań w związku z możliwością ich wykorzystania do leczenia różnych zaburzeń. Modulowanie aktywności neuronów w tych obwodach było głównym celem finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu NEUROPA.
Jak wyjaśnia Edik Rafailov, koordynator projektu: „Obecnie wykorzystuje się wiele inwazyjnych metod leczenia zaburzeń mózgu. Wraz z zespołem chcieliśmy opracować podejście, które pozwoli na modulowanie ekspresji genów odpowiedzialnych za plastyczność synaptyczną, co umożliwi leczenie schorzeń w sposób nieinwazyjny”.
Skupione wokół projektu konsorcjum partnerów wykorzystało optogenetykę – technikę stanowiącą prawdziwą rewolucję w obszarze neuronauki, która polega na wykorzystaniu światła do kontrolowania aktywności określonych neuronów w żywych tkankach. Dotychczas była ona wykorzystywana do badania roli określonych obwodów neuronowych oraz ich znaczenia w zakresie zapewniania zdrowia oraz przebiegu chorób.
Białka pochodzenia roślinnego w mózgu
Badania optogenetyczne opierają się na wprowadzeniu wrażliwych na światło białek, takich jak opsyny, do określonych rodzajów neuronów. Źródłem pochodzenia tych białek mogą być mikroorganizmy. Po wprowadzeniu do neuronów, w odpowiedzi na wystawienie na działanie światła widzialnego mogą aktywować lub ograniczać aktywność odpowiednich komórek. Zespół projektu NEUROPA podjął decyzję o wykorzystaniu fotoreceptorów pochodzenia roślinnego – fitochromów, które mogą być aktywowane światłem o długości fali w zakresie bliskiej podczerwieni.
„Chcieliśmy skupić się na fotoreceptorach aktywowanych światłem czerwonym, ponieważ takie promieniowanie przenika głębiej do tkanek biologicznych, dzięki czemu pozwala nam dostać się do czaszki pacjenta”, wyjaśnia Rafailov.
Protokół badawczy obejmował wykorzystanie podawanego przez nos wirusa należącego do parwowirusów w celu dostarczenia fitochromów do określonych obwodów mózgu pacjenta przez barierę krew-mózg. Wzbudzenie neuronów było możliwe przy pomocy zewnętrznego kompaktowego lasera o ultrakrótkim impulsie opracowanego w ramach projektu.
Poprawa zdolności motorycznych
Weryfikacja koncepcji na modelach mysich pląsawicy Huntingtona poprzez aktywację fitochromów w obszarze przedruchowym kory mózgowej zakończyła się powodzeniem, doprowadzając do modulacji plastyczności synaptycznej i zwiększeniu zdolności motorycznych myszy chorujących na pląsawicę Huntingtona. Badania pozwoliły na ustalenie, że astrocyty odgrywały znacznie ważniejszą rolę niż neurony korowe.
Aktywność neuronalna po stymulacji fitochromów była monitorowana nieinwazyjnie dzięki badaniu przepływu krwi w mózgu przy użyciu zmodyfikowanej metody spektroskopii fal rozproszonych, która stanowi innowacyjne narzędzie pozwalające na ocenę skutków interwencji poprzez wykrywanie zmian w obwodach mózgu zachodzących w wyniku modulacji. W celu lepszego i dokładniejszego zrozumienia mechanizmów modulacji pracy mózgu, naukowcy chcą wykorzystać fitochromy połączone z różnymi białkami, które po aktywacji mogą zarówno obniżać, jak i zwiększać sygnalizację wewnątrzkomórkową.
Pomimo wyzwań związanych z opracowaniem platformy pozwalającej na testowanie lasera, fitochromów i elementów wirusa, zespołowi udało się opracować innowacyjną, nieinwazyjną koncepcję modulacji działania neuronów.
„W każdym projekcie, w którym opracowywanych jest wiele zależnych od siebie technologii, ich integracja musi być progresywna, a zarazem bardzo dokładnie przemyślana”, podkreśla Rafailov.
Nowa technologia jest obiecującym rozwiązaniem teranostycznym dla pacjentów cierpiących na zaburzenia mózgu, które może przynieść poprawę wyników klinicznych w perspektywie długoterminowej. Rozwiązanie opracowane przez zespół projektu NEUROPA stanowi znaczący krok naprzód w rozwiązywaniu złożonych problemów związanych z zaburzeniami mózgu, stawiając na precyzję i nieinwazyjność.
Komentarze
[ z 0]