Оптогенетика и её применение в регенерации тканей

В статье было изучено современное направление медицинской генетики оптогенетика, суть которой заключается во внедрении в нервные клетки (с помощью генной инженерии) специальных белковых каналов, реагирующих на возбуждение светом. С ее помощью можно восстанавливать память, зрение, слух, а также управлять нервными и мышечными клетками в живом организме.

Во время аналитического исследования мы убедились в следующем: для здорового развития, тканям приходится менять форму, допустим, в процессе органогенеза и в целом развития органов.Делая первые шаги в этом, в последующем можнобудет помочь в разработке эффективной терапии и повышению эффективности препаратов, появлению новых менее инвазивных оперативных вмешательств для диагностики и лечения различных нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, деменция, болезнь Паркинсона и другие.

Полученные в ходе этого исследования данные помогут в ближайшем будущем постепенно совершенствовать технические аспекты оптогенетических методов так, что они станут совершеннее, качественнее работать, будут быстрее и, мы считаем, что их можно будет использовать в более сложных живых системах, применяя в регенеративной медицинеи различных клинических исследованиях.

Актуальность: Оптогенетика это инновационная и быстро развивающаяся технология, заключающаяся во внедрении в нервные клетки (с помощью генной инженерии) специальных белковых каналов, реагирующих на возбуждение светом. С ее помощью можно восстанавливать память, зрение, слух, а также управлять нервными и мышечными клетками в живом организме. Оптогенетика сделала возможным уменьшение или увеличение активности конкретных нейрональных популяций в различных областях головного мозга человека. Выявление причинно-следственных связей с помощью оптогенетических инструментов между нейронными сетями и симптомами патологии может помочь в разработке эффективной терапии и повышению эффективности препаратов, появлению новых менее инвазивных оперативных вмешательств для лечения различных нейродегенеративных заболеваний.

Материалы и методы исследования: В данном аналитическом исследовании мы апеллировали к эксперименту Стефано де Рензиса (эксперимент на плодовой мушке с применением оптогенетической технологии), в лабораторияхкафедр молекулярной биологии (медицинской генетики) и гистологии (эмбриологии) КазНМУ им. С.Д.Асфендиярова подробно изучали процессы инициирования и ингибирования инвагинации.А также на кафедре медицинской биофизики КазНМУ им. С.Д.Асфендиярова мыизучили механизм работы Na+, K+ белковых насосов и действие светодиодов как основного инструмента оптогенетики.

Цель: Проанализировать инициирование и ингибирование инвагинации на основе работы команды EMBL (EuropeanMolecularBiologyLaboratory), а также теоретически подтвердить регенерацию тканей, обусловленную использованием методов оптогенетики для будущих клинических исследований.

Результаты исследования и их обсуждение:Во время аналитического исследования мы убедились в следующем: для здорового развития тканям приходится менять форму, допустим, в процессе органогенеза и в целом развития органов. Благодаря оптогенетике можно не только проследить за этим процессом, но и управлять их структурами с помощью света. Далее показан принцип работы света в нейроне.

Рисунок 1

Во время наблюдаемого нами процесса, то есть, инвагинации, поверхность группы клеток начала сжиматься и заставляла ткань складываться внутрь. Представьте себе эмбрион как воздушный шар и тканевую инвагинацию как деформацию, вызванную пальцами, которые продавливают поверхность шара. Единственное отличие состоит в том, что клетки не подвергаются внешней силе, как пальцы, но должны быть способны генерировать силы, чтобы двигаться внутрь сами по себе. Аномалии в этом процессе приводят к проблемам в развитии тканей и органов.

Рисунок 2

Для того, чтобы узнать движущие силы инвагинации, Де Рензис со своей группой попытались препятствовать естественному процессу инвагинации.

Рисунок 3

Подробно изучив и проанализировав эксперимент Де Рензиса, мы обнаружили, что наиважнейшей чертой является именно гибкость части поверхности ткани, которая сворачивается внутрь, то есть, впячивается в процессе гаструляции. Также было установлено, что если клеткам не разрешено расслаблять свои основания, то они не могут эффективно сжимать верхушки, соответственно тканевая инвагинация прекращается. Благодаря новой технологии, то есть оптогенетике,можно модифицировать активность белка, не повреждая клетки, сохраняя при этом возможность активировать и деактивировать их изменения по мере необходимости.

Таким образом, эти результаты дают первое доказательство давней теории, которая могла бы объяснить морфологические аномалии во время эмбрионального развития. В сочетании с предыдущими результатами, теперь можно контролировать каждый шаг процесса развития у эмбрионов. Хотя эксперименты Де Рензиса проводились в эмбрионах плодовой мухи, мы считаем, что результаты и методы будут применимы на других организмах.

Выводы и перспективы: Проанализировав инициирование и ингибирование инвагинации на основе работы команды EMBL и подробно изучив эксперимент Стефано Де Рензиса с помощью онлайн-телемоста, мы пришли к следующим выводам:

Полученные в ходе аналитического исследования данные помогут нам в ближайшем будущем постепенно совершенствовать технические аспекты оптогенетических методов так, что они станут совершеннее, качественнее работать, будут быстрее, и мы сможем использовать их в более сложных живых системах, применяя в различных клинических исследованиях.

А также, теоретически подтвердив регенерацию тканей, обусловленную использованием методов оптогенетики, перейдем к рассмотрению перспектив развития оптогенетики.

Мы считаем, что это наиболее перспективный аспект. Главное — клиническое применение этой технологии, прогресс тут будет более сложным, но эффективным, доступным. Благодаря полученным результатам исследования можно будетиспользовать свет для регенерации как отдельных клеток, так и целых нервных цепей.

Стоит отметить, что самое замечательное в использовании оптогенетики для руководства морфогенезом заключается в том, что это очень точная методика.Можно определять различные формы, и, чередуя время и силу освещения, вполне возможно контролировать, как далеко клетки сгибаются внутрь.

Исследование проводилось при разработке плодовых мух, но поскольку эпителиальная складчатость является консервативным процессом во всей эволюции, мы ожидаем, что эти методы также будут применимы в других организмах и системах культивирования стволовых клеток ex vivo. В этом случае оптогенетика может быть идеальной методикой для восстановления и направления развития ткани, которая может быть использована для (ре) создания искусственных тканей в регенеративной медицине.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Daniel Krueger, Pietro Tardivo, Congtin Nguyen, Stefano De Renzis. Downregulation of basal myosin-II is required for cell shape changes and tissue invagination // The EMBO Journal. 2018. №2. Р. 88-94.
  2. Boyden E.S., Zhang F.Bamberg E., Nagel G., Deisseroth K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity (англ.) // Nat. Neurosci. 2005. Vol. 8, №9. P. 1263-1268.
  3. Song C.Knopfel T. Optodenetics enlightens neuroscience drug discovery (англ.) // Nat. Rev. Drug Discov. 2016. Vol. 15, №2. P. 97109.
  4. Adamantidis A.R., Zhang F.Aravanis A.M., Deisseroth K. et al. Neural substrates of awakening probed with optogenetic control of hypocretin neurons // Nature. 2007. №8. Р. 129-136.
  5. Л. В. Белоусов Основы общей эмбриологии. М.: Наука, 2005. 216 с.
  6. Страйер Л. Биохимия: В 3-х т. Т.3 Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 400 с.
Год: 2019
Город: Алматы
Категория: Медицина