Optogenètica

“…por ahora, el bisturí más preciso en el cerebro humano sigue siendo la palabra. Nosotros ahora podemos llegar a ver cómo actúa sobre el cerebro y lo modifica.” -Karl Deisseroth

Aquesta setmana us vull donar a conèixer una tècnica que s’està “posant de moda” entre la comunitat mèdica i neurocientífica: l’optogenètica. Se li auguren grans èxits, tant per la prevenció com per al tractament de múltiples malalties (neurodegeneratives, mentals, etc.) com per altres problemes (addiccions, dolor, etc.). De moment us en faig la introducció i en futures entrades tractarem en detall la seva aplicabilitat sobre patologies concretes.

DEFINICIÓ I BASES DE FUNCIONAMENT (1)

“L’optogenética és una tècnica experimental que combina procediments d’enginyeria genètica i de física òptica per marcar neurones específiques del cervell i poder activar-les després a voluntat mitjançant raigs de llum de determinada freqüència” (Morgado, 2016).

Les tècniques clàssiques de manipulació i control experimental del cervell afronten problemes de falta de resolució espaial i temporal, cosa que compromet i dificulta l’interpretació dels resultats que s’obtenen quan es manipula experimentalment el cervell. Crick, va proposar ja al 1979 que la llum seria una gran alternativa ja que es pot administrar en pulsos breus i precisos. Però en aquella època faltava saber com activar les neurones amb llum. Avui en dia, s’ha descobert que alguns microorganismes produeixen opsines, unes proteïnes que controlen i regulen el flux de càrregues elèctriques a través de les seves membranes en resposta a la llum. De fet, tot va començar cap a l’any 2000 a través de les investigacions que equips japonesos van fer sobre l’alga verda unicel·lular Chlamydomonas reinhardtii. Després a Alemanya, basant-se en aquestes investigacions, es va descobrir que, segons la seqüència de gens, es codificaven 2 proteïnes diferents, cada una de les quals reaccionava a la llum. Les van anomenar ChR1 i ChR2. Paral·lelament a Estats Units van veure que la llum regulava el comportament de l’alga.

La idea, a partir de llavors, va ser poder introduir el gens d’aquestes proteïnes en mamífers per així poder-les activar amb llum i que servissin com a eina de control neuronal i cerebral. Van haver de passar anys, però al final es va aconseguir mitjançant virus benignes com a mitjà de transport. Actualment s’han descobert diverses formes alternatives com l’electroporació (per més informació llegir 1r paràgraf de la pàg.2 de l’article de Morgado, 2016), l’existència d’altres opsines (halorrodopsines) i altres fotoproteïnes (naturals o artificials) que es poden activar de forma selectiva en molt poc temps (mil·lèssimes de segon) quan reben el raig de llum adequat (comportament que segueixen les neurones i els circuits neuronals).

*Cal recordar, que a més de la llum, les proteïnes fotoreceptores necessiten d’una forma de vitamina A anomenada retinaldehid com a cofactor activador (les membranes cel·lulars dels mamífers solen tenir-ne de sobres).

El següent pas va ser desenvolupar tècniques i procediments per aconseguir que les fotoproteïnes es fabriquéssin i instal·léssin únicament en grups específics de neurones. Una vegada més, s’hi va arribar per diferents camins: promotors genètics (seqüències d’ADN a les que s’uneixen els enzims que inicien la transcripció d’un determinat gen), ús d’antibiòtics com la doxiciclina, o l’ús dels virus benignes novament.

En el present, la revolució tècnica ha tingut lloc a la font que s’utilitza per il·luminar les neurones: primer, eren LED, però escalfaven massa i costava de dirigir la llum. El que s’utilitza ara són cables de fibra òptica, que s’implanten intracranialment en llocs molt precisos. Permeten una il·luminació molt precisa i, al mateix temps, el registre de l’activitat de les neurones que s’activen. L’ús de cables conjuntament amb la microscopia electrònica han permès desenvolupar una tècnica anomenada “all-optical interrogation of neural circuits“, que consisteix en la lectura i manipulació simultánia de l’activitat d’un determinat circuit nerviós mitjançant la llum, amb molta precisió.

Aquí podeu veure un ratolinet sent estimulat.

Us deixo un vídeo resum senzill sobre l’optogenètica, els reptes i les seves utilitats.

UTILITAT DE L’OPTOGENÈTICA (1,2)

Amb els treballs fets fins a la data, la majoria aplicats sobre rates i ratolins, s’ha pogut:

-discernir grups cel·lulars responsables d’inhibir o activar estats fisiològics i motivacionals com ara: el dolor, la gana, la set, la respiració, els ritmes circadians, la son, la son REM, la conducta d’aparellament i la parental, l’agressivitat o el reforç.

-marcar i evocar memòries de por, crear memòries falses o, fins i tot, borrar-ne d’existents, manipulant les espines dendrítiques de les neurones, afavorides per l’aprenentatge.

-estimular el creixement neuronal mitjançant l’activació optogenètica del neurotransmissor GABA (inhibidor al sistema nerviós central).

-suprimir comportaments depressius mitjançant l’evocació optogenètica de memòries positives.

-discernir circuits neuronals implicats en la transmissió de la informació sensorial de diferents tipus.

-localitzar mapes d’activitat neuronal relacionats amb el comportament o estats cognitius o motivacionals específics gràcies a la combinació de l’optogenètica amb tècniques de neuroimatge funcional com el TAC.

-Ha començat a jugar un paper important en les patologies neurològiques i les malalties mentals (localització de l’activitat neuronal durant les convulsions epilèptiques, circuits que controlen els períodes ON-OFF a la malaltia de Parkinson o identificació d’aspectes neoplàsics o degeneratius en models animals amb malaltia d’Alzheimer).

-Recentment, en un estudi fet a Alemanya utilitzant cries de peix zebra, també s’ha pogut reparar un circuit neuronal danyat. Amb llum, han promogut la producció d’una proteïna bàsica per fer aquesta reparació. (4)

>El mateix Morgado recomana la lectura d’una revisió de Deisseroth K per a tenir molt més clara la utilitat i els futurs reptes de l’optogenètica. Aquí us deixo l’enllaç: Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience. Nat Neurosci 201.; 18: 1213-25.

A més, us deixo una entrevista que recentment li van fer a Deisseroth a “La Vanguardia”.

Fins aquí l’entrada. Espero que l’hagueu disfrutada.

>Fonts i enllaços consultats

1. Morgado I. Optogenética: historia, fundamentos y relevancia presente y futura. Rev Neurol 2016; 62: 123-8.
2. http://one.lavanguardia.com/optogenetica-encender-y-apagar-neuronas-para-entender-el-cerebro/
3. https://www.technologynetworks.com/neuroscience/news/bright-prospects-repairing-neurons-light-283786

>Imatges

*http://www.robotspacebrain.com/wp-content/uploads/2013/10/Optogenetics.png

-Anna-