211service.com
Genetiske 'Light Switches' kontrollerer muskelbevægelsen
Ved at bruge lysfølsomme proteiner fra en encellet alge og en lille LED-manchet placeret på en nerve, har forskere udløst benmusklerne på mus til at trække sig sammen som reaktion på millisekunders lysimpulser.
Let bevægelse: Dette billede viser et tværsnit af en iskiasnerve fra mus, der er gensplejset til at producere et lysfølsomt protein (vist med grønt). Stanford-forskere brugte dette protein til at udløse muskelbevægelser i dyrets ben.
Undersøgelsen, offentliggjort i tidsskriftet Naturmedicin , markerer den første brug af den begyndende teknologi kendt som optogenetik til at kontrollere muskelbevægelser. Udviklet af studiemedforfatter Karl Deisseroth , lektor i bioteknik og i psykiatri og adfærdsvidenskab ved Stanford University, gør optogenetik det muligt at stimulere neuroner med lys ved at indsætte genet for et protein kaldet channelrhodopsin-2, fra en grønalge. Når en modificeret neuron udsættes for blåt lys, starter proteinet elektrisk aktivitet inde i cellen, som derefter spredes fra neuron til neuron. Ved at kontrollere, hvilke neuroner der laver proteinet, samt hvilke celler der udsættes for lys, kan forskerne kontrollere neural aktivitet hos levende dyr med hidtil uset præcision. Avisens anden seniorforfatter, Scott Delp , en professor i bioteknik, maskinteknik og ortopædkirurgi ved Stanford, siger, at den optiske kontrolmetode giver fantastiske fordele i forhold til elektrisk stimulation til hans undersøgelse af muskler og biomekanikken i menneskelig bevægelse.
Medlemmer af Deisseroths laboratorium havde konstrueret mus til at producere kanalrhodopsin-2 i både det centrale og det perifere nervesystem. Michael Llewellyn, en tidligere kandidatstuderende i Delps laboratorium, udviklede en lille, implanterbar LED-manchet til at påføre lys på nerven jævnt. Han placerede manchetten på iskiasnerverne på bedøvede mus og udløste millisekunders lysimpulser. Dette fik musenes benmuskler til at trække sig sammen. Da Llewellyn sammenlignede muskelsammentrækningerne stimuleret af lys med dem, der blev genereret ved hjælp af en lignende elektrisk manchet, fandt han ud af, at de lysudløste sammentrækninger var meget mere lig normal muskelaktivitet.
Muskler er opbygget af to forskellige fibre: Små, langsomme, træthedsbestandige fibre, der typisk bruges til opgaver, der kræver finmotorisk kontrol over længere perioder, og større, hurtigere fibre, der kan producere højere kræfter, men som er mere træthedsudsatte. I kroppen aktiveres de små, langsomme fibre først, med de store, hurtige fibre forbeholdt hurtige udbrud af kraft eller hastighed. Når muskler stimuleres med elektriske impulser, aktiveres de hurtige fibre først. Med den optogenetiske switch blev fibrene imidlertid rekrutteret i den normale, fysiologiske rækkefølge: langsomme fibre først, hurtige fibre derefter. Ved at ændre intensiteten af lyset fandt Llewellyn ud af, at han endda kun kunne udløse de langsomme fibre - en bedrift, der ikke er mulig med elektrisk stimulation.
På kort sigt, siger Delp, vil teknologien forbedre de undersøgelser, som hans laboratorium og andre laver om muskelaktivitet i dyremodeller af slagtilfælde, parese, ALS og andre neuromuskulære lidelser. Han håber også, at sådanne optiske kontakter med tiden – længe indrømmer han – kunne bruges til at hjælpe patienter med fysiske handicap forårsaget af nerveskader såsom slagtilfælde, rygmarvsskade eller cerebral parese. En mulighed, siger han, ville være at bruge optisk stimulation i stedet for funktionel elektrisk stimulation (FES), hvor elektrisk strøm påføres specifikke nerver eller muskler for at udløse muskelsammentrækninger. U.S. Food and Drug Administration har allerede godkendt FES-enheder, der kan genoprette håndfunktion og blærekontrol til nogle lammede mennesker. FES kan dog hurtigt føre til muskeltræthed. Delp håber, at brug af optisk stimulation, især med gribefunktioner, kan resultere i bedre træthedsmodstand og måske bedre muskelkontrol.
Dette er en genial undersøgelse, virkelig smuk videnskab, siger Robert Kirsch , en bioingeniør ved Case Western Reserve University og associeret direktør for Cleveland Functional Electrical Stimulation Center; han var ikke involveret i forskningen. Jeg tror, der er mange [kliniske implikationer], siger han, selvom han ligesom Delp og Llewellyn bemærker, at mange høje forhindringer skal ryddes - ikke mindst er det at udvikle en sikker, effektiv måde at levere kanalrhodopsin-2-genet til nerven celler i mennesker. Ellers, siger Kirsch, ville min eneste indvending være deres implikation om, at de har løst træthedsproblemet med FES. Jeg er ret sikker på, at det ikke er sket. I stedet mener Kirsch, at det meste af den træthed, man ser hos FES-patienter, skyldes muskelatrofi og -svaghed, der udvikler sig hos kronisk lammede.
C.J. Heckman , en professor i fysiologi ved Northwestern Universitys Feinberg School of Medicine, er enig: Det er rigtigt, at meget af den træthed, der ses hos FES-patienter, skyldes kronisk muskelatrofi. Men, siger han, hvis du kunne stimulere musklerne i den rigtige rekrutteringsrækkefølge gentagne gange over tid, kan du potentielt genvinde en masse muskelfunktion. Dette kunne hjælpe lammelsespatienter med at bevare deres langsomme muskelfibre, hvilket ville være en kæmpe sag, siger Heckman. Dette skyldes, at disse fibre gør en stor procentdel af det arbejde, musklerne gør - alt fra at opretholde kropsholdning til at skrive på et tastatur.
Delp mener også, at stimulationsbaseret træning kunne være en vigtig applikation til optisk muskelkontrol, ligesom det kunne hjælpe kørestolsbundne mennesker med at række ud efter bøger eller tallerkener i et skab. Jeg er dog ikke super-høj til at kontrollere bevægelse - det vil sige at gå - med enten elektrisk eller optisk stimulering, siger Delp. Det er en utrolig kompliceret kommando-og-kontrol-ordning, som er virkelig svær at koordinere.
I mellemtiden har Delp og Llewellyn påbegyndt et forsøg på at bruge et andet lysfølsomt protein, halorhodopsin, til at hæmme motoriske nerver hos mus med ideen om at behandle eller endda helbrede muskelspasticitet, ofte en alvorlig bivirkning til hjerne- eller rygmarvsskade. . Nuværende behandlinger er langt fra ideelle; læger kan sprøjte botulinumtoksin ind i de berørte muskler med få måneders mellemrum for at lamme dem, bruge oral medicin som f.eks. Valium, der påvirker hele kroppen i stedet for kun den berørte muskel, eller i de mest alvorlige tilfælde skære nerverne eller sener af spastikeren. muskel – en permanent behandling, der efterlader patienten uden kontrol over denne muskel. Delp håber, at gensplejsning af nerverne med halorhodopsin kan sætte folk i stand til at bruge lys til reversibelt at slappe af muskler, der er ramt af spasticitet.
Jeg synes, det er en god idé til behandling af spasticitet, siger Jerry Silver , neuroforsker ved Case Western. Der kan dog være nogle vanskeligheder undervejs, siger han. I samarbejde med Case-kolleger har Silver startet et firma kaldet LucCell for at udvikle kliniske applikationer af optogenetik. I et virksomhedsprojekt forsøger videnskabsmænd at bruge halorhodopsin og andre hæmmende opsiner i dyremodeller til at slukke for den muskel, der styrer blæresfinkteren; deres ultimative mål er at genoprette blærefunktionen til lammede mennesker. Selvom de har set nogle fysiologiske ændringer i, hvordan ringmusklen opfører sig, har de ikke været i stand til at få den til at slappe nok af. Vi lærer, at det er nemmere at tænde for ting end at slukke for tingene, siger han. Alligevel fortsætter holdet og leder efter bedre måder at levere genet til nerveceller og efter måder at øge produktionen af proteinet på cellens overflader.
Det hele afhænger af evnen til at få transgenet på det rigtige sted i personens genom uden at give problemer, erklærer Llewellyn. Det er den største hindring.