Τι ακριβώς είναι η οπτογενετική;
Η οπτογενετική βασίζεται στον συνδυασμό γενετικών τεχνικών και φωτός, ώστε να μπορεί να τροποποιείται η λειτουργία επιλεγμένων κυττάρων.
Οι επιστήμονες εισάγουν στα κύτταρα γενετικές οδηγίες που τους επιτρέπουν να παράγουν ειδικές πρωτεΐνες οι οποίες αντιδρούν στο φως. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η καναλοροδοψίνη (channelrhodopsin), μια φωτοευαίσθητη πρωτεΐνη που βρίσκεται στη μεμβράνη του κυττάρου.
Η πρωτεΐνη λειτουργεί σαν μια μικροσκοπική «πύλη». Όταν δεχθεί φως, ανοίγει και επιτρέπει σε ιόντα, δηλαδή ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, να περάσουν μέσα από τη μεμβράνη. Με αυτόν τον τρόπο μεταβάλλεται η ηλεκτρική δραστηριότητα του κυττάρου και, στην περίπτωση των νευρώνων, μπορεί να προκληθεί ένα νευρικό σήμα.
Υπάρχουν επίσης φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες που έχουν αντίθετη δράση και μπορούν να μειώσουν ή να αναστείλουν τη δραστηριότητα των κυττάρων. Έτσι, οι ερευνητές μπορούν να ενεργοποιούν ή να «σιωπούν» συγκεκριμένες ομάδες κυττάρων με εξαιρετικά μεγάλη ταχύτητα, ακόμη και μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου.
Για να φτάσει το φως στα τροποποιημένα κύτταρα, ειδικά στα πειράματα που πραγματοποιούνται στον εγκέφαλο ζώων, χρησιμοποιείται συχνά μια πολύ λεπτή οπτική ίνα.
Από ένα μικροσκοπικό άλγος στην οπτογενετική
Η πορεία προς την οπτογενετική ξεκίνησε από τη μελέτη ενός μονοκύτταρου πράσινου άλγους και της ικανότητάς του να ανταποκρίνεται στο φως.
Ο Peter Hegemann μελέτησε τον τρόπο με τον οποίο το συγκεκριμένο άλγος κινείται προς την πηγή φωτός. Η έρευνά του συνέβαλε στον εντοπισμό των πρωτεϊνών που επιτρέπουν στον οργανισμό να αντιδρά τόσο γρήγορα στο φως.
Στη συνέχεια, ο Georg Nagel, μαζί με τον Hegemann και άλλους ερευνητές, έδειξε ότι οι συγκεκριμένες πρωτεΐνες λειτουργούν ως δίαυλοι που ανοίγουν άμεσα όταν εκτίθενται στο φως. Οι πρωτεΐνες αυτές έγιναν γνωστές ως καναλοροδοψίνες.
Το επόμενο σημαντικό βήμα έγινε από τον Karl Deisseroth και την ερευνητική του ομάδα. Το 2005 απέδειξαν ότι η καναλοροδοψίνη μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την πρόκληση νευρικών σημάτων με εξαιρετικά ακριβή χρονισμό. Ακολούθησε η ανάπτυξη τεχνικών που επέτρεψαν στους επιστήμονες να ελέγχουν συγκεκριμένα κύτταρα στον εγκέφαλο ζωντανών ζώων μέσω φωτός.
Γιατί θεωρείται τόσο σημαντική;
Ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα της οπτογενετικής είναι ότι επιτρέπει στους επιστήμονες να εξετάζουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τη σχέση αιτίας και αποτελέσματος.
Για παράδειγμα, εάν μια ομάδα νευρώνων παρουσιάζει αυξημένη δραστηριότητα τη στιγμή που ένα ζώο πραγματοποιεί μια συγκεκριμένη κίνηση, αυτό από μόνο του δεν αποδεικνύει ότι οι συγκεκριμένοι νευρώνες προκαλούν την κίνηση.
Με την οπτογενετική, οι ερευνητές μπορούν να ενεργοποιήσουν σκόπιμα αυτά τα κύτταρα ή, αντίθετα, να καταστείλουν τη λειτουργία τους και στη συνέχεια να παρατηρήσουν τι αλλάζει στη συμπεριφορά.
Η διαδικασία μπορεί να παρομοιαστεί με μια ορχήστρα. Το γεγονός ότι ακούγεται η τρομπέτα σε ένα μουσικό απόσπασμα δείχνει ότι συμμετέχει στη σύνθεση, αλλά δεν αποκαλύπτει απαραίτητα πόσο σημαντική είναι η συμβολή της. Αν σταματήσει προσωρινά να παίζει, η επίδρασή της στο συνολικό αποτέλεσμα γίνεται πολύ πιο εύκολο να διαπιστωθεί.
Με παρόμοιο τρόπο, η στοχευμένη ενεργοποίηση ή αναστολή συγκεκριμένων νευρικών κυττάρων βοηθά τους επιστήμονες να καταλάβουν ποιος είναι ο ρόλος τους σε μια λειτουργία του εγκεφάλου.
Πώς σχετίζεται με την καθημερινή ζωή;
Παρότι μεγάλο μέρος της έρευνας πραγματοποιείται σε ζώα, η οπτογενετική χρησιμοποιείται για τη μελέτη λειτουργιών που είναι άμεσα συνδεδεμένες με την ανθρώπινη καθημερινότητα.
Ύπνος και αφύπνιση
Οι επιστήμονες μπορούν να μελετήσουν ποιες ομάδες νευρικών κυττάρων συμβάλλουν στη μετάβαση του εγκεφάλου από την κατάσταση του ύπνου στην εγρήγορση.
Κίνηση
Η τεχνική βοηθά στην εξέταση των νευρικών οδών που εμπλέκονται στην έναρξη μιας κίνησης ή στον έλεγχο της ταχύτητάς της. Αυτό μπορεί να συμβάλει στην καλύτερη κατανόηση ακόμη και απλών ενεργειών, όπως το να απλώσει κάποιος το χέρι του για να πιάσει ένα ποτήρι.
Φόβος
Η οπτογενετική επιτρέπει στους ερευνητές να εξετάσουν ποιες νευρικές οδοί επηρεάζουν την αντίδραση στον φόβο και όχι απλώς ποιες περιοχές του εγκεφάλου ενεργοποιούνται ταυτόχρονα με αυτήν.
Τέτοιου είδους πειράματα βοηθούν στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο συνεργάζονται διαφορετικές ομάδες κυττάρων και μπορούν να δώσουν στοιχεία για το τι συμβαίνει όταν συγκεκριμένα νευρικά κυκλώματα δυσλειτουργούν σε ασθένειες.
Έχει ήδη εφαρμογές σε ασθενείς;
Η οπτογενετική βρίσκεται ήδη στο στάδιο διερεύνησης πιθανών εφαρμογών στον άνθρωπο, ιδιαίτερα σε ορισμένες μορφές απώλειας όρασης.
Χαρακτηριστική είναι μια περίπτωση που περιγράφηκε το 2021 και αφορούσε έναν άνδρα με μελαγχρωστική αμφιβληστροειδοπάθεια (retinitis pigmentosa). Η συγκεκριμένη πάθηση προκαλεί προοδευτική καταστροφή των φωτοευαίσθητων κυττάρων του αμφιβληστροειδούς, με αποτέλεσμα σοβαρή απώλεια όρασης.
Ο ασθενής υποβλήθηκε σε γονιδιακή θεραπεία, μέσω της οποίας ορισμένα κύτταρα που είχαν απομείνει στον αμφιβληστροειδή απέκτησαν ευαισθησία στο φως. Με τη βοήθεια ειδικών γυαλιών που εξέπεμπαν φωτεινούς παλμούς, κατάφερε στη συνέχεια να εντοπίζει και να αγγίζει συγκεκριμένα αντικείμενα.
Πρόκειται για μια περίπτωση μερικής αποκατάστασης οπτικής λειτουργίας. Ωστόσο, όσον αφορά τις παθήσεις του εγκεφάλου, η οπτογενετική εξακολουθεί να αποτελεί κυρίως ερευνητική τεχνική και δεν αποτελεί σήμερα καθιερωμένη θεραπεία.
Συχνές ερωτήσεις
Είναι η οπτογενετική το ίδιο με τη φωτοθεραπεία;
Όχι. Οι δύο μέθοδοι δεν πρέπει να συγχέονται.
Η οπτογενετική προϋποθέτει ότι τα κύτταρα έχουν προηγουμένως τροποποιηθεί ώστε να παράγουν συγκεκριμένες φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες. Παράλληλα, το φως πρέπει να κατευθυνθεί με ακρίβεια στα συγκεκριμένα κύτταρα.
Επομένως, η απλή έκθεση σε μια ισχυρή λάμπα ή σε έντονο φως δεν μπορεί να αναπαράγει τον μηχανισμό της οπτογενετικής.
Μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλα όργανα;
Ναι. Η τεχνική δεν περιορίζεται αποκλειστικά στον εγκέφαλο.
Οι ερευνητές εξετάζουν τρόπους αξιοποίησής της και για τη μελέτη άλλων τύπων κυττάρων, μεταξύ άλλων σε όργανα όπως η καρδιά και το πάγκρεας. Με τον κατάλληλο σχεδιασμό, η δραστηριότητα συγκεκριμένων κυττάρων μπορεί να τροποποιηθεί με τη χρήση φωτός.
Η οπτογενετική, επομένως, αποτελεί ένα εργαλείο που επιτρέπει την εξαιρετικά στοχευμένη μελέτη της λειτουργίας των κυττάρων. Από την παρατήρηση της αντίδρασης ενός μικροσκοπικού άλγους στο φως, η επιστημονική έρευνα έφτασε σε μια τεχνολογία που μπορεί να «ανάβει» και να «σβήνει» επιλεγμένα νευρικά κυκλώματα, προσφέροντας νέες δυνατότητες για την κατανόηση του εγκεφάλου και, ενδεχομένως, για μελλοντικές θεραπευτικές εφαρμογές.
