211service.com
Ģenētiski gaismas slēdži kontrolē muskuļu kustību
Izmantojot gaismas jutīgos proteīnus no vienšūnu aļģēm un niecīgu LED aproci, kas novietota uz nerva, pētnieki ir izraisījuši peļu kāju muskuļu kontrakciju, reaģējot uz milisekunžu gaismas impulsiem.
Viegla kustība: Šajā attēlā redzams peles sēžas nerva šķērsgriezums, kas ģenētiski pārveidots, lai ražotu gaismas jutīgu proteīnu (parādīts zaļā krāsā). Stenfordas pētnieki izmantoja šo proteīnu, lai izraisītu muskuļu kustības dzīvnieka kājā.
Pētījums, kas publicēts žurnālā Dabas medicīna , pirmo reizi tiek izmantota topošā tehnoloģija, kas pazīstama kā optoģenētika, lai kontrolētu muskuļu kustības. Izstrādājis pētījuma līdzautors Kārlis Deisserots , Stenfordas universitātes bioinženierijas un psihiatrijas un uzvedības zinātnes asociētais profesors, optoģenētika ļauj stimulēt neironus ar gaismu, ievietojot gēnu proteīnam, ko sauc par kanalrodopsīnu-2, no zaļās aļģes. Kad modificēts neirons tiek pakļauts zilai gaismai, proteīns ierosina elektrisko aktivitāti šūnā, kas pēc tam izplatās no neirona uz neironu. Kontrolējot, kuri neironi veido proteīnu, kā arī kuras šūnas tiek pakļautas gaismai, zinātnieki var kontrolēt dzīvu dzīvnieku neironu darbību ar nepieredzētu precizitāti. Otrs raksta vecākais autors, Skots Delps , Stenfordas bioinženierijas, mašīnbūves un ortopēdiskās ķirurģijas profesors, saka, ka optiskās kontroles metode sniedz fantastiskas priekšrocības salīdzinājumā ar elektrisko stimulāciju viņa pētījumos par muskuļiem un cilvēka kustību biomehāniku.
Deisseroth laboratorijas locekļi bija izstrādājuši peles, lai ražotu kanālarodopsīnu-2 gan centrālajā, gan perifērajā nervu sistēmā. Maikls Levellins, bijušais Delpa laboratorijas absolvents, izstrādāja nelielu, implantējamu LED aproci, lai vienmērīgi pielietotu nervu nervu. Viņš uzlika aproci uz anestēzētu peļu sēžas nerviem un izraisīja gaismas impulsus milisekundēs. Tas izraisīja peļu kāju muskuļu kontrakciju. Kad Levellins salīdzināja gaismas stimulētās muskuļu kontrakcijas ar tām, kas radušās, izmantojot līdzīgu elektrisko aproci, viņš atklāja, ka gaismas izraisītās kontrakcijas bija daudz līdzīgākas normālai muskuļu aktivitātei.
Muskuļi sastāv no divām dažādām šķiedrām: mazām, lēnām, pret nogurumu izturīgām šķiedrām, kuras parasti izmanto uzdevumiem, kam nepieciešama smalka motora kontrole ilgākā laika periodā, un lielākām, ātrākām šķiedrām, kas var radīt lielākus spēkus, bet ir vairāk pakļautas nogurumam. Ķermenī vispirms tiek aktivizētas mazās, lēnās šķiedras, un lielās, ātrās šķiedras ir rezervētas ātriem jaudas vai ātruma uzliesmojumiem. Kad muskuļi tiek stimulēti ar elektriskiem impulsiem, pirmās aktivizējas ātrās šķiedras. Tomēr, izmantojot optoģenētisko slēdzi, šķiedras tika pieņemtas darbā normālā, fizioloģiskā secībā: vispirms lēnās šķiedras, pēc tam ātrās šķiedras. Mainot gaismas intensitāti, Levellins atklāja, ka viņš pat var iedarbināt tikai lēnās šķiedras – tas nav iespējams ar elektrisko stimulāciju.
Delps saka, ka tuvākajā laikā šī tehnoloģija uzlabos pētījumus, ko viņa laboratorija un citi veic par muskuļu aktivitāti insulta, triekas, ALS un citu neiromuskulāru traucējumu dzīvnieku modeļos. Viņš arī cer, ka ar laiku — ilgu laiku — šādus optiskos slēdžus varētu izmantot, lai palīdzētu pacientiem ar fiziskiem traucējumiem, ko izraisījuši nervu bojājumi, piemēram, insults, muguras smadzeņu traumas vai cerebrālā trieka. Viena iespēja, viņš saka, būtu izmantot optisko stimulāciju funkcionālās elektriskās stimulācijas (FES) vietā, kurā elektriskā strāva tiek pielietota konkrētiem nerviem vai muskuļiem, lai izraisītu muskuļu kontrakcijas. ASV Pārtikas un zāļu pārvalde jau ir apstiprinājusi FES ierīces, kas dažiem paralizētiem cilvēkiem var atjaunot rokas darbību un urīnpūšļa kontroli. Tomēr FES var ātri izraisīt muskuļu nogurumu. Delps cer, ka optiskās stimulācijas izmantošana var radīt labāku izturību pret nogurumu un, iespējams, labāku muskuļu kontroli, jo īpaši satveršanas funkciju gadījumā.
Šis ir izcils pētījums, patiešām skaista zinātne, saka Roberts Kiršs , Case Western Reserve universitātes bioinženieris un Klīvlendas funkcionālās elektriskās stimulācijas centra asociētais direktors; viņš nebija iesaistīts pētījumā. Es domāju, ka ir daudz [klīnisku seku], viņš saka, lai gan, tāpat kā Delps un Levellins, viņš atzīmē, ka ir jānovērš daudzi lieli šķēršļi, no kuriem ne mazāk svarīgi ir izstrādāt drošu un efektīvu veidu, kā nogādāt nervu kanālārodopsīna-2 gēnu. šūnas cilvēkiem. Pretējā gadījumā, Kiršs saka, mans viens iebildums būtu viņu apgalvojums, ka viņi ir atrisinājuši noguruma problēmu ar FES. Esmu diezgan pārliecināts, ka tas nav noticis. Tā vietā Kirsch uzskata, ka lielākā daļa noguruma, kas novērots FES pacientiem, ir saistīts ar muskuļu atrofiju un vājumu, kas attīstās hroniski paralizētiem cilvēkiem.
K.Dž. Hekmens , Ziemeļrietumu universitātes Feinbergas Medicīnas skolas fizioloģijas profesors, piekrīt: Tā ir taisnība, ka liela daļa noguruma, kas novērots FES pacientiem, ir saistīts ar hronisku muskuļu atrofiju. Bet, viņš saka, ja jūs varētu vairākkārt stimulēt muskuļus pareizajā komplektēšanas secībā laika gaitā, jūs, iespējams, varētu atgūt daudz muskuļu funkciju. Tas varētu palīdzēt pacientiem ar paralīzi saglabāt lēnās muskuļu šķiedras, kas būtu milzīgs darījums, saka Hekmens. Tas ir tāpēc, ka šīs šķiedras veic milzīgu procentuālo daļu no darba muskuļiem — sākot no stājas saglabāšanas līdz rakstīšanai ar tastatūru.
Delps arī domā, ka uz stimulāciju balstīti vingrinājumi varētu būt svarīgs pielietojums optiskajai muskuļu kontrolei, kā arī palīdzēt cilvēkiem ratiņkrēslā stāvēt, lai sasniegtu grāmatas vai šķīvjus skapī. Tomēr Delps saka, ka es ne pārāk labi kontrolēju kustību, tas ir, staigāšanu, ar elektrisku vai optisku stimulāciju. Tā ir neticami sarežģīta komandu un kontroles shēma, kuru ir patiešām grūti koordinēt.
Pa to laiku Delp un Llewellyn ir sākuši mēģināt izmantot citu gaismas jutīgu proteīnu, halorodopsīnu, lai inhibētu peļu motoriskos nervus, lai ārstētu vai pat izārstētu muskuļu spasticitāti, kas bieži ir nopietna smadzeņu vai mugurkaula traumu blakusparādība. . Pašreizējās ārstēšanas metodes ir tālu no ideālas; ārsti var injicēt botulīna toksīnu skartajos muskuļos ik pēc dažiem mēnešiem, lai tos paralizētu, lietot perorālos medikamentus, piemēram, Valium, kas iedarbojas uz visu ķermeni, nevis tikai uz skarto muskuļu, vai, vissmagākajos gadījumos, pārgriezt spastiskā muskuļa nervus vai cīpslas. muskuļi – pastāvīga ārstēšana, kas pacientam neļauj kontrolēt šo muskuļu. Delps cer, ka nervu ģenētiskā inženierija ar halorodopsīnu varētu ļaut cilvēkiem izmantot gaismu, lai atgriezeniski atslābinātu muskuļus, kurus skārusi spasticitāte.
Es domāju, ka tā ir lieliska ideja spasticitātes ārstēšanai, saka Džerijs Sudrabs , Case Western neirozinātnieks. Tomēr ceļā var rasties dažas grūtības, viņš saka. Sadarbojoties ar Case kolēģiem, Silver ir izveidojis uzņēmumu LucCell, lai izstrādātu optoģenētikas klīniskos pielietojumus. Vienā uzņēmuma projektā zinātnieki mēģina izmantot halorodopsīnu un citus inhibējošus opsīnus dzīvnieku modeļos, lai izslēgtu muskuļus, kas kontrolē urīnpūšļa sfinkteru; to galvenais mērķis ir atjaunot urīnpūšļa darbību paralizētiem cilvēkiem. Lai gan viņi ir redzējuši dažas fizioloģiskas izmaiņas sfinktera muskuļa uzvedībā, viņi nav spējuši to pietiekami atslābināties. Mēs mācāmies, ka lietas ir vieglāk ieslēgt nekā izslēgt, viņš saka. Tomēr komanda turpina strādāt, meklējot labākus veidus, kā piegādāt gēnu nervu šūnām un veidus, kā palielināt proteīna ražošanu uz šūnu virsmām.
Tas viss ir atkarīgs no spējas ievietot transgēnu pareizajā vietā cilvēka genomā, neradot problēmas, piekrīt Levellina. Tas ir galvenais šķērslis.