Исследователи из Женевского университета совместно с коллегами из Швейцарии, Франции, США и Израиля описывают, как оптогенетический контроль клеток и нейронных сетей головного мозга уже направляет развитие как непрямых нейромодуляторных методов лечения, так и первых в мире вмешательств на сетчатке глаза при слепоте, а также намечают практические и этические условия, необходимые для более широкого клинического применения.

Оптогенетический контроль использует свет для точного во времени усиления или ослабления функций в определенных типах клеток или даже в отдельных клетках. Благодаря возможности выбора по местоположению, связям, экспрессии генов или комбинациям этих характеристик, исследователи теперь имеют беспрецедентный способ изучения мозга живых животных.

Современные эксперименты варьируются от имплантации волоконной оптики до трехмерного голографического освещения определенных нейронных ансамблей и неинвазивных носимых светодиодов, при этом длительность вмешательств может составлять от миллисекунд до длительного применения, а величина эффекта быстро меняется в зависимости от изменения интенсивности света.

Такая гибкость превратила оптогенетику в универсальный инструмент, выходящий за рамки нервной системы и охватывающий другие органы, и уже опубликовано более 10 000 работ, описывающих открытия, сделанные с использованием этого подхода. Недавние исследования включают причинно-следственные эксперименты по изучению памяти, принятия решений и связи между сердцем и мозгом, а также исследования на уровне нейронных сетей, а не сосредоточение внимания на конкретных заболеваниях.

В статье «Дорожная карта для прямого и косвенного внедрения оптогенетики в открытия и методы лечения людей», опубликованной в журнале Nature Neuroscience , исследователи описывают, как эксперименты по изучению причинно-следственных связей ведут к двум путям терапии: с одной стороны, оптогенетические карты направляют разработку лекарств и нейромодуляцию, а с другой — позволяют проводить первые в мире вмешательства на сетчатке человека для лечения слепоты. Они указывают на то, что в будущих исследованиях необходимо будет учитывать вопросы безопасности, регулирования и этики по мере приближения открытий к клиническому применению.

Прокладывая новые маршруты

Один из путей от оптогенетических экспериментов к клиническому применению начинается с изучения базовых нейронных сетей, связывающих определенные популяции клеток со специфическими нейропсихиатрическими симптомами. Понимание общей картины может выявить методы облегчения симптомов.

После экспериментального картирования причинно-следственных связей и описания клеток по местоположению, экспрессии генов и взаимосвязям, лекарственные препараты и технологии стимуляции могут быть направлены на эти популяции без введения генов или света в организм пациентов. Глубокая стимуляция мозга, транскраниальная магнитная стимуляция, транскраниальная стимуляция постоянным током и сфокусированный ультразвук под контролем МРТ могут быть направлены на основе результатов оптогенетических исследований.

Другой подход использует результаты оптогенетических исследований для создания более точных описаний функций человеческого мозга, которые впоследствии могут послужить основой для разработки методов лечения. Прямые исследования сетчатки уже показывают, как это может происходить. Доставка гена каналородопсина и света к сетчатке слепого пациента с пигментным ретинитом значительно улучшила зрительное восприятие. У девяти пациентов, прошедших аналогичное лечение, пока не выявлено никаких проблем с безопасностью, и по меньшей мере четыре дополнительных клинических исследования проверяют оптогенетическое восстановление зрения на разных типах клеток сетчатки.

Куда может привести этот путь

Распространенные нейропсихиатрические расстройства часто представляют собой совокупность симптомов, связанных с активностью нейронных цепей головного мозга. Такие симптомы, как ангедония, компульсивное поведение, дефицит социальной мотивации и социального познания, тревожность, посттравматические стрессовые реакции и психоз, экспериментально были связаны с конкретными нейронными цепями.

При таких заболеваниях, как эссенциальный тремор, очаговая эпилепсия, нарушения двигательного контроля при болезни Паркинсона, пигментный ретинит в терминальной стадии и некоторые формы глухоты, экспериментально показан потенциал для вмешательств, направленных на нейронные цепи.

Периферическая нейропатия, боковой амиотрофический склероз, рефлекторная симпатическая дистрофия, комплексный региональный болевой синдром и дисфункция мочевого пузыря или кишечника после травмы спинного мозга — это состояния, которые плохо поддаются лечению с помощью существующих методов терапии и затрагивают клеточные мишени, более доступные для генной и световой терапии, с местами воздействия вне головного мозга.

Безопасность, регулирование и этика

Клиническое применение оптогенетики сопряжено с более широким спектром рисков, уже наблюдаемым при генной терапии. Вирусные векторы могут вызывать локальные иммунные реакции в тканях головного мозга посредством активации микроглии, а также провоцировать системные врожденные и адаптивные реакции, поражающие печень, кровеносные сосуды и другие органы, особенно при высоких дозах. Проблемы безопасности связаны с иммунными реакциями на вирусные векторы, воспалением в тканях нервной системы и необходимостью определения допустимых предельных доз.

Регулирующие органы рассматривают оптогенетические вмешательства как комбинацию биологического продукта и медицинского изделия. Очки для защиты сетчатки, имплантируемые или устанавливаемые на череп светодиоды, а также любые модифицированные электроды для глубокой стимуляции мозга должны соответствовать стандартам качества и производительности устройств, а также проходить оценку безопасности и дозировки компонента генной терапии.

Этические вопросы возникают в связи со способностью оптогенетики изменять настроение, мотивацию, память и основные инстинкты выживания, такие как голод, жажда, страх, агрессия, стремление к спариванию и родительские инстинкты. Когнитивная свобода , определяемая как право на самоопределение в психическом плане, поддерживает предложение таких вмешательств при тяжелых заболеваниях, когда существующие методы лечения оказываются неэффективными. Конфиденциальность нейронных данных, кибербезопасность, связанная с работой мозга, для пациентов, создаст новые этические обязательства, поскольку исследователи будут изучать методы лечения, которые не имеют очевидного пути.