Всё началось с водоросли. Ещё в 90-е Петер Хегеман изучал, как хламидомонада реагирует на свет. Позже, совместно с Георгом Нагелем, он открыл, что у водоросли есть светочувствительный белок — каналородопсин. При попадании на него света открывается канал, по которому движутся заряженные частицы и возникает электрический сигнал.
— Самое интересное началось потом, когда Карл Дайссерот ввёл ген этого белка в нервные клетки крыс, а затем и мышей. Оказалось, что их тоже можно сделать светочувствительными, то есть "включать" и "выключать" нейроны мозга, —рассказывает сотрудник Центра исследований МФТИ Анастасия Власова.
Выглядит это так: в череп мыши вводят тонкую проволоку оптического волокна, через который поступает импульс — синий свет. Например, если направить пучок светодиодов в нейроны мозга во время сна, то грызун просыпается. Также можно заставить её шевелить ушами и даже вызвать воспоминание о пугающем событии, так что мышь начнёт демонстрировать страх. Так появилась наука оптогенетика, позволяющая управлять активностью нейронов с помощью света.
— Раньше нейробиологи воздействовали на нейроны через химические вещества и электрические импульсы, — добавляет учёный. — Но эти методы не могли одновременно контролировать конкретные типы клеток и делать это быстро. Оптогенетика же позволила избирательно активировать клетки определённого типа. Ещё один важный момент: поведение человека и животных формируется не из одного участка мозга, а складывается из взаимодействующих между собой нейронов, поэтому теперь можно выяснить, какую функцию выполняет конкретный участок. Этот подход позволил выявить нейронные цепи, отвечающие за память, страх, чувство голода, жажду и социальные связи, что способствовало пониманию природы поведения и эмоций.
— В практической медицине оптогенетический подход потенциально можно использовать для лечения слепоты и глухоты, борьбы с нейродегенеративными заболеваниями и таргетной терапии других органов, например для коррекции ритма сердца, — рассказала Ирина Захарова, заведующая Научно-образовательной лабораторией регенеративных биотехнологий и тканевой инженерии МИФИ.
В России уже давно используют методы оптогенетики. Например, Центр исследований МФТИ изучает подробную трёхмерную структуру каналародопсина-2, только без света.
Сегодня оптогенетика используется для изучения мозга, но у неё есть и медицинские перспективы. Наиболее изучен этот метод в области офтальмологии. Глаз человека оказался идеальным объектом для исследования: он прозрачен для света, анатомически изолирован от других органов, что снижает риски, и имеет естественные пути передачи сигналов в мозг. Компания Nanoscope Therapeutics дальше всех продвинулась в этом направлении. Потенциально её метод поможет восстанавливать зрение людям, страдающим тяжёлыми стадиями ретинита (воспаление сетчатки глаза) или болезнью Штаргардта (разрушение центральной зоны сетчатки и потеря зрения). При таких заболеваниях светочувствительные клетки умирают, а значит сигнал не передаётся нервными клетками в мозг. Учёные решили поместить выявленный ген белка в ещё сохранившиеся клетки и превратить их в светочувствительные нейроны. Активировать их можно просто – дневным светом. Таким образом происходит восстановление или улучшение зрения. Но это только начало исследований, которые нужно ещё проводить в течение нескольких лет. Так что говорить о массовом внедрении новой практики в медицину и излечении слепоты пока что рано. Ирина Захарова, заведующая Лабораторией тканевой инженерии МИФИ