Оптогенетика дает надежду слабовидящим людям
Лауреатами Нобелевской премии по медицине 2026 года стали разработчики оптогенетики. Эту технологию применяют в лабораториях по всему миру для контроля активности отдельных нейронов с помощью света.
Фундамент нового направления заложили Петер Хегеманн и Георг Нагель, которые нашли белок каналородопсин у одноклеточных водорослей. Позже Карл Диссерот адаптровал это открытие и создал световой выключатель для нервных клеток. Ученые из МФТИ объяснили редакции сайта канала «Науки», как устроена технология, как проходили исследования и где метод может найти практическое применение.
В теории оптогенетику можно использовать для лечения ухудшения зрения, слуха, для исследования мозга. Пока это на самом деле далеко от практики. Я объясню причину.
Принцип оптогенетики заключается в том, что нервные клетки, нейроны, генетически модифицируются при помощи вирусных частиц специально таким образом, чтобы они вырабатывали на своей поверхности специальные белки ионных каналов. Если на них посветить светом определенной длины волны, они включаются и запускают определенные ионы, допустим, натрия, внутрь клетки. Соответственно, это такой специальный выключатель для нервной клетки, который при помощи разных длин волн света можно либо включить, либо выключить.
Проблема в том, что надо на нее посветить. Проблема в том, что нейроны находятся внутри головного мозга, который находится внутри черепа. А череп просветить — задача довольно сложная, если только его не открыть.
На данный момент метод клинически испытывается только на людях, которые потеряли зрение из-за нейродегенерации сетчатки. Их нейроны, соответственно, были модифицированы генетически, чтобы они вырабатывали такие вот эти специальные ионные канальные белки на своей поверхности. И при помощи специальных очков ученые воздействуют светом не на мозг, а на сетчатку через зрачок. Поэтому это можно сделать, и поэтому сейчас на нескольких пациентах испытывается этот метод только для такого показания. Для всех остальных показаний — депрессии, болезни Паркинсона или еще чего-то, затрагивающего центральную нервную систему, в частности нейроны головного мозга — конечно, применение оптогенетики невозможно.
В теории можно сделать белки, которые будут отвечать на глубокий инфракрасный диапазон, и а этот диапазон может проходить через череп. Но другой вопрос: как тогда сделать так, чтобы он воздействовал именно на ту область головного мозга, которая нужна? Это технически сделать гораздо труднее. Такой технологии пока нет.
Для изучения функций того или иного отдела мозга у мышей этот метод просто отличный. И он действительно революционный, и поэтому Нобелевский комитет и посчитал открытие значимым, как инструмент для исследований.
В будущем мы, может быть, сможем, конечно, такой подход применять там для таких вещей, как активация и других клеток, помимо нейронов, допустим, активация иммунных клеток, для того чтобы они целенаправленно могли атаковать опухолевые клетки, активировать или деактивировать еще какие-нибудь типы клеток.
Возникновение оптогенетики, как новой области на стыке биофизики, молекулярной и клеточной биологии произошло примерно 15 лет назад и, на самом деле, за это время данное направление получило колоссальное развитие.
Суть открытия и его применения состояла в возможности контроля возникновения нервных импульсов в нейронах с помощью света, благодаря встраиванию светочувствительного белка (канального родопсина из хламидомонады). Надо отметить, что открытие канального родопсина произошло в результате фундаментальных исследований фототаксиса этой микроводоросли, и возникновение оптогенетики представляет собой наглядный пример, как исключительно фундаментальные исследования способны произвести революцию в других отраслях науки и технологии.
Далее, благодаря развитию арсенала оптогенетических инструментов, стало возможным контролировать возникновение, или наоборот, подавлять генерацию нервных импульсов в отдельных популяциях нейронов в мозге животных. Это произвело революцию в нейронауках. Были детально изучены механизмы сна-бодрствования, памяти, сложного поведения. Эти нейробиологические открытия, сделанные с помощью оптогенетики, важны для изучения и лечения нейродегенеративных, психиатрических заболеваний, эпилепсии. Другое применение в медицине — восстановление зрения и слуха. Для восстановления зрения уже были получены первые клинические успехи у реальных пациентов.
На самом деле применение оптогенетики шире: она может быть использована с одной стороны как прямая терапевтическая стратегия (как в случае восстановления зрения), так и как метод, позволяющий моделировать заболевания и изучать новые лекарства и терапевтические подходы, это сейчас активно используется нейродегенеративных, офтальмологических и онкологических заболеваний.
Не менее важно и фундаментальное значение оптогенетики. В последнее время стало возможным контролировать не только целые клетки, но и отдельные внутриклеточные органеллы с помощью подходов оптогенетики. Это дает новые возможности клеточной биологии и позволяет изучать механизмы таких сложных процессов как внутриклеточная сигнализация, клеточное старение и онкотрансформация принципиально новым способом. Этим мы занимаемся в Центре исследования молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
