211service.com
Genetiniai „šviesos jungikliai“ kontroliuoja raumenų judesius
Naudodami šviesai jautrius baltymus iš vienaląsčių dumblių ir mažytę LED manžetę, uždėtą ant nervo, mokslininkai paskatino pelių kojų raumenis susitraukti reaguodami į milisekundžių šviesos impulsus.
Lengvas judėjimas: Šiame paveikslėlyje pavaizduotas pelės sėdmeninio nervo skerspjūvis, genetiškai modifikuotas gaminti šviesai jautrų baltymą (rodomas žaliai). Stanfordo mokslininkai naudojo šį baltymą, kad paskatintų raumenų judesius gyvūno kojoje.
Tyrimas, paskelbtas žurnale Gamtos medicina , žymi pirmą kartą besikuriančios technologijos, žinomos kaip optogenetika, panaudojimą raumenų judesiams kontroliuoti. Sukūrė tyrimo bendraautoris Karlas Deisserothas Stenfordo universiteto bioinžinerijos ir psichiatrijos bei elgesio mokslų docentas, optogenetika leidžia stimuliuoti neuronus šviesa, įterpiant baltymo, vadinamo kanalrodopsinu-2, geną iš žaliųjų dumblių. Kai modifikuotas neuronas yra veikiamas mėlynos šviesos, baltymas pradeda elektrinį aktyvumą ląstelės viduje, kuris vėliau plinta iš neurono į neuroną. Kontroliuodami, kurie neuronai gamina baltymą ir kurios ląstelės yra veikiamos šviesos, mokslininkai gali neregėtu tikslumu kontroliuoti gyvų gyvūnų nervų veiklą. Kitas vyresnysis šio straipsnio autorius, Skotas Delpas , Stanfordo bioinžinerijos, mechanikos inžinerijos ir ortopedinės chirurgijos profesorius, teigia, kad optinio valdymo metodas suteikia fantastiškų pranašumų, palyginti su elektrine stimuliacija, tyrinėjant raumenis ir žmogaus judėjimo biomechaniką.
Deisserotho laboratorijos nariai sukūrė peles, kurios gamina kanalrodopsiną-2 tiek centrinėje, tiek periferinėje nervų sistemoje. Michaelas Llewellynas, buvęs Delp laboratorijos absolventas, sukūrė mažytę, implantuojamą LED manžetę, kad nervas būtų tolygiai apšviestas. Jis uždėjo manžetę ant anestezuotų pelių sėdmenų nervų ir suaktyvino milisekundžių šviesos impulsus. Dėl to pelių kojų raumenys susitraukė. Kai Llewellyn palygino šviesos stimuliuojamus raumenų susitraukimus su susitraukimais, sugeneruotais naudojant panašią elektrinę manžetę, jis nustatė, kad šviesos sukelti susitraukimai buvo daug panašesni į įprastą raumenų veiklą.
Raumenys sudaryti iš dviejų skirtingų skaidulų: mažų, lėtų, nuovargiui atsparių skaidulų, kurios paprastai naudojamos atliekant užduotis, kurioms reikalingas smulkus motorinis valdymas ilgesnį laiką, ir didesnių, greitesnių skaidulų, kurios gali sukurti didesnes jėgas, bet yra labiau linkusios pavargti. Kūne pirmiausia suaktyvėja mažos, lėtos skaidulos, o didelės, greitos skaidulos yra skirtos greitiems galios ar greičio pliūpsiniams. Kai raumenys stimuliuojami elektros impulsais, pirmiausia suaktyvėja greitosios skaidulos. Tačiau naudojant optogenetinį jungiklį, pluoštai buvo įdarbinti įprasta, fiziologine tvarka: pirmiausia lėti pluoštai, antra – greiti pluoštai. Pakeitęs šviesos intensyvumą, Llewellynas išsiaiškino, kad jis netgi gali suaktyvinti tik lėtus pluoštus – tai neįmanoma naudojant elektrinę stimuliaciją.
Delpas teigia, kad artimiausiu metu ši technologija pagerins jo laboratorijos ir kitų atliekamus raumenų veiklos tyrimus, susijusius su insultu, paralyžiumi, ALS ir kitais neuromuskuliniais sutrikimais. Jis taip pat tikisi, kad ilgainiui tokie optiniai jungikliai galėtų padėti pacientams, turintiems fizinę negalią, atsiradusią dėl nervų pažeidimo, pavyzdžiui, insulto, nugaros smegenų pažeidimo ar cerebrinio paralyžiaus. Pasak jo, viena iš galimybių būtų naudoti optinę stimuliaciją vietoj funkcinės elektrinės stimuliacijos (FES), kai elektros srovė yra taikoma tam tikriems nervams ar raumenims, kad sukeltų raumenų susitraukimus. JAV maisto ir vaistų administracija jau patvirtino FES prietaisus, kurie gali atkurti rankų funkciją ir šlapimo pūslės kontrolę kai kuriems paralyžiuotiems žmonėms. Tačiau FES gali greitai sukelti raumenų nuovargį. Delpas tikisi, kad optinės stimuliacijos naudojimas gali pagerinti atsparumą nuovargiui ir galbūt geresnę raumenų kontrolę, ypač naudojant sugriebimo funkcijas.
Tai puikus tyrimas, tikrai gražus mokslas, sako Robertas Kiršas , Case Western Reserve universiteto bioinžinierius ir Klivlando funkcinės elektrinės stimuliacijos centro direktoriaus pavaduotojas; jis tyrime nedalyvavo. Manau, kad yra daug [klinikinių pasekmių], sako jis, nors, kaip ir Delpas ir Llewellynas, jis pažymi, kad reikia pašalinti daug didelių kliūčių – ypač svarbu sukurti saugų ir veiksmingą būdą kanalorodopsino-2 genui pristatyti į nervą. žmogaus ląstelėse. Priešingu atveju, pasak Kirsch, vienas prieštaravimas būtų jų implikacija, kad jie išsprendė nuovargio problemą su FES. Esu tikras, kad to neįvyko. Vietoj to, Kirsch mano, kad dauguma FES pacientų nuovargio atsiranda dėl raumenų atrofijos ir silpnumo, kurie išsivysto chroniškai paralyžiuotiems pacientams.
C.J. Heckmanas , Šiaurės Vakarų universiteto Feinbergo medicinos mokyklos fiziologijos profesorius, sutinka: Tiesa, kad daugelis FES pacientų nuovargio atsiranda dėl lėtinės raumenų atrofijos. Tačiau, anot jo, jei laikui bėgant pakartotinai stimuliuosite raumenis teisinga įdarbinimo tvarka, galėtumėte atgauti daug raumenų funkcijų. Tai galėtų padėti paralyžiuojantiems pacientams išsaugoti lėtas raumenų skaidulas, o tai būtų didžiulis dalykas, sako Heckmanas. Taip yra todėl, kad šios skaidulos atlieka didžiulę dalį darbo raumenų – nuo laikysenos išlaikymo iki spausdinimo klaviatūra.
Delp taip pat mano, kad stimuliacija pagrįsti pratimai galėtų būti svarbi optinio raumenų valdymo taikymas, taip pat padėti neįgaliojo vežimėliuose sėdintiems žmonėms atsistoti prie knygų ar lėkščių spintelėje. Vis dėlto nesu labai gerai valdęs judėjimo, ty vaikščiojimo, naudodamas elektrinę ar optinę stimuliaciją, sako Delpas. Tai neįtikėtinai sudėtinga komandų ir valdymo schema, kurią tikrai sunku koordinuoti.
Tuo tarpu Delp ir Llewellyn pradėjo pastangas naudoti kitokį šviesai jautrų baltymą halorodopsiną, kad slopintų pelių motorinius nervus, siekdami gydyti ar net išgydyti raumenų spazmą, kuris dažnai yra rimtas šalutinis poveikis smegenų ar stuburo pažeidimui. . Dabartinis gydymas toli gražu nėra idealus; gydytojai gali kas kelis mėnesius suleisti botulino toksino į pažeistus raumenis, kad juos paralyžiuotų, vartoti geriamuosius vaistus, tokius kaip Valium, kurie veikia visą kūną, o ne tik pažeistą raumenį, arba, sunkiausiais atvejais, perpjauti spazminio raumenų nervus ar sausgysles. raumuo – nuolatinis gydymas, kurio metu pacientas nekontroliuoja to raumens. Delpas tikisi, kad genetinė nervų inžinerija naudojant halorodopsiną gali padėti žmonėms panaudoti šviesą, kad atpalaiduotų raumenis, paveiktus spazmiškumo.
Manau, kad tai puiki idėja gydyti spazmą, sako Džeris Sidabras , Case Western neurologas. Tačiau pakeliui gali kilti tam tikrų sunkumų, sako jis. Dirbdama su Case kolegomis, Silver įkūrė įmonę LucCell, kuri kuria klinikinius optogenetikos pritaikymus. Vieno įmonės projekte mokslininkai bando naudoti halorodopsiną ir kitus slopinančius opsinus gyvūnų modeliuose, kad išjungtų šlapimo pūslės sfinkterį valdantį raumenį; jų galutinis tikslas yra atkurti šlapimo pūslės funkciją paralyžiuotiems žmonėms. Nors jie matė kai kuriuos fiziologinius sfinkterio raumenų elgesio pokyčius, jiems nepavyko jo pakankamai atsipalaiduoti. Mes mokomės, kad lengviau viską įjungti nei išjungti, sako jis. Vis dėlto komanda atkakliai ieško geresnių būdų, kaip geną pristatyti į nervų ląsteles, ir būdų, kaip padidinti baltymo gamybą ląstelės paviršiuje.
Viskas priklauso nuo sugebėjimo perkelti transgeną į reikiamą vietą žmogaus genome nesukeliant problemų, sutinka Llewellyn. Tai pagrindinė kliūtis.