Хемогенетические и оптогенетические инструменты
Сложность мозга млекопитающего не имеет себе равных: десятки миллиардов взаимосвязанных нейронов со сложной морфологией и схемотехникой взаимодействия, способных обмениваться электрическими сигналами с помощью точного височного сканирования порядка миллисекунд.
Большой проблемой является развитие способности управлять только одним типом клетки в мозге, не затрагивая другие. Электрические, физические, фармакологические и генетические методы традиционно используются для манипулирования клетками и синапсами.
Однако все эти методы не обладают временным и пространственным разрешением и могут вызывать стимуляцию, торможение или инактивацию нецелевых клеток и процессов. Для преодоления этих ограничений были разработаны новые генетические инструменты, называемые "хемогенетическими" и "оптогенетическими".
Дизайнерские рецепторы, эксклюзивно активируемые дизайнерским препаратом.
Хемогенетика - это процессы, в которых белки сконструированы так, чтобы специфически взаимодействовать с небольшой молекулой. С этой целью были разработаны различные белки, вовлеченные в ЦНС-расстройства, включая ферменты и рецепторы с G-связью белков. К последним относятся аллель-специфичные GPCR, рецепторы, активированные синтетическим лигандом, и рецепторы, исключительно активированные препаратами-аналогами.
Первым химически-инженерным GPCR был β-адренергический рецептор. После мутаций на сайте связывания β-адренергических рецепторов исчезла чувствительность к природному лиганду и была получена новая специфика для агонистов кетоновых и катехоловых эстераз. Несколько лет спустя на основе κ-опиоидов человека были разработаны рецепторы RASSLs, которые потеряли сродство к эндогенному пептидному лиганду (динорфину) и приобрели специфичность для малых и безопасных препаратов, таких как спирадолин.
Наряду с оптогенетикой, технология DREADs в настоящее время является наиболее используемым инструментом для манипулирования деятельностью генетически определенных популяций нейронов.
Примером технологии DREADD является использование модифицированных мускариновых рецепторов, hM3Dq для стимуляции и hM4Di для ингибирования, которые потеряли сродство к эндогенному ацетилхолину, но могут быть активированы синтетическим лигандом (клозапин-оксид, CNO), который пересекает BBB.
По сравнению с предыдущими методиками, хемогенетика, основанная на DREADD, дает возможность регулировать и манипулировать неинвазивным способом активностью специфических нейронных контуров. В сочетании с набором инструментов генной терапии, описанных выше, DREADD могут быть доставлены и почти выборочно выражены в нейрональной субпопуляции, представляющей интерес, например, серотонинергической или глутаматергической нейронах.
DREADD являются полезными инструментами для фундаментальных научных исследований, но могут также уточнять геннотерапевтические подходы к нейродегенеративным нарушениям, при которых изменения в нейронной активности играют важную роль. Нейронная гиперактивность и повышенная возбудимость коры головного мозга и гиппокампа являются общими чертами эпилепсии и AD. По требованию затухание припадков было достигнуто после доставки AAV-векторов, несущих hM4Di рецептора под контролем промотора CamkIIα. Кроме того, переходные холинергические-специфической стимуляции привело к поразительному улучшению двигателя оценки в модели грызунов PD в том числе походки и постуральных нарушений.
Оптогенетические подходы
Термин "оптогенетика" обозначает методологию, позволяющую контролировать активность специфических нейронов внутри неповрежденных нейронных цепей. Идея использования света как инструмента управления функцией нейронов была первоначально выдвинута Фрэнсисом Криком.
В 1970-х годах биологи обнаружили, что некоторые микроорганизмы генерируют белки, которые, в ответ на видимый свет, регулируют поток зарядов через мембраны. Эти белки, называемые опсинами, являются фоточувствительными транс-мембранными белками, которые при освещении на определенных частотах индуцируют трансмембранные потоки ионов и, таким образом, изменения в электрической активности клетки. Существуют два основных класса опсинов, которые отличаются чувствительностью к свету и абсорбционными свойствами, и вызывают активацию или торможение нейронов:
- Channelrhodopsin (ChR): активированный голубым светом катионный канал от Chlamydomonas reinhardtii, используемый для возбуждения нейронов.
- Галородопсин (NpHR): хлоридный насос с активацией желтого света от фараона Natronomonas, используемый для ингибирования нейронов.
Продолжение...