Когда ослепшие прозреют?

• 676
• 1,6
• 0
• 1

ДОБАВИТЬ В ИЗБРАННОЕ 

НОВОСТЬ

рисунок Ольги Посух

• АВТОРЫ

  • Светлана Бозрова
  • Ольга Посух

• РЕДАКТОРЫ

  • Антон Чугунов
  • Ольга Волкова

  
  

С помощью зрения человек воспринимает около 80% информации. Утрата любого канала восприятия окружающего мира — большая трагедия для человека, но потерять зрение — основного поставщика внешней информации — особенно неприятно. Ученые всего мира ломают головы над решением проблемы слепоты — над тем, как остановить потерю зрения и как вернуть его уже ослепшим людям. И они делают значительные успехи. В 2016 году компания RetroSense поставила эксперимент по восстановлению зрения у крыс — и у них получилось. 

Вспомним вкратце, как устроено человеческое зрение. В глазу у человека (а конкретнее, в сетчатке) находятся два типа светочувствительных нейронов, или фоторецепторов, — палочки и колбочки (рис. 1). Палочки отвечают за ночное зрение (зрение в условиях слабой освещенности), колбочки — за дневное. Колбочки делятся на три типа в зависимости от чувствительности к свету разных длин волн и, соответственно, отвечают за цветовое восприятие: одни — за красную область спектра, другие — за зеленую, третьи — за синюю. Раздражение всех трех типов колбочек дает человеку восприятие белого цвета.

Рисунок 1. Однажды в сетчатке глаза. Иллюстрация, хотя и основана на реальном строении сетчатки, намеренно упрощена. В действительности клетки-фоторецепторы расположены под ганглионарными клетками, а не над. То есть источник света попросту расположен с другой стороны. Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него.

Рисунок Ольги Посух.

Световой сигнал (пучок фотонов) поступает к фоторецепторам, которые содержат светочувствительные белки опсины (в палочках находится самый известный из них — родопсин [1], а в колбочках разные виды опсинов воспринимают разные цвета). В результате серии фотохимических трансформаций молекул этих пигментов меняется мембранный потенциал палочек/колбочек — световая энергия таким образом преобразуется в нервный импульс, который через биполярные клетки передается ганглионарным клеткам, а те, в свою очередь, направляют «увиденное» в мозг. Некоторые заболевания приводят к тому, что палочки или колбочки атрофируются и перестают работать. Последствия подобных изменений печальны — больной слепнет. Одно из таких заболеваний — пигментный ретинит (retinitis pigmentosa, RP). Эта патология наследственная и пока неизлечимая. Сейчас от RP страдает около полутора миллионов человек в мире [2]. Согласитесь, цифра немалая.

Конечно, никто не готов смириться с надвигающейся слепотой, и врачи с пациентами стараются всячески противостоять болезни. На данный момент есть три возможных решения. Во-первых, можно вводить в глаза моноклональные антитела, подавляющие патологический рост сосудов, питающих сетчатку, — ранибизумаб (Lucentis) или афлиберцепт (Eylea). Однако больным с пигментным ретинитом, в отличие от пациентов с возрастной макулярной дегенерацией, это лекарство приносит не очень много пользы. Второй выход — генная терапия. Этот вариант пока подходит только тем людям, у которых выявлена мутация в гене RPE65. Метод лечения, разработанный компанией Spark Therapeutics, сейчас проходит третью стадию клинических исследований. К сожалению, уже ослепшим пациентам этот метод никак не поможет. Третий вариант может подойти в качестве крайней меры, но на самом деле мало кто согласится на опасную и дорогостоящую операцию по трансплантации глаза. Кроме того, пациенту придется постоянно носить с собой электронный девайс «Аргус 2» стоимостью $150 000, что тоже может доставлять некоторые неудобства. Похожий прибор, сочетающий голографические и оптогенетические технологии с кибернетической «приставкой», уже был описан на «биомолекуле» [3], однако жить и взаимодействовать с ним не сильно проще, чем с «Аргусом 2».

Итак, все три способа вернуть зрение довольно ограничены и неудобны в применении. Так что же, любые усилия тщетны? На самом деле пациентам с неработающей сетчаткой не стоит отчаиваться: им на помощь всё-таки придет оптогенетика (рис. 2).

Рисунок 2. Как работает оптогенетика? В клеточных мембранах водорослей есть ионный канал (канальный родопсин, ChR), который открывается под действием голубого света. С помощью методов генетической инженерии ген этого канального белка можно внедрить в специфические нейроны головного мозга человека. Нейроны коммуницируют посредством электрических сигналов — «волн» поляризации и деполяризации их мембран, возникающих в результате открытия/закрытия ионных каналов. Управлять «общением» трансгенных нейронов, производящих канальный родопсин, можно всего лишь вспышками голубого света. Используя правильные последовательности световых импульсов, можно взять под контроль активность нейронных цепей и, например, заставить животное двигаться.

Controlling the brain, with lasers!

Оптогенетические технологии управления нейронами уже неоднократно обсуждались на страницах «биомолекулы» [4], [5]. Чаще всего в них применяют генетический вектор на основе аденоассоциированного вируса (AAV), произведенный компанией uniQure. Этот вектор уже одобрен для лечения гемофилии, болезни Хантингтона, сердечнососудистых заболеваний и хиломикронемии (наследственного дефицита липопротеинлипазы). Если решаются оптогенетические задачи, то вектор должен доставить ген бактериородопсина в ганглионарные клетки сетчатки, что сделает их светочувствительными. Так как наш мозг пластичен, то вскоре он научится воспринимать сигналы, исходящие непосредственно от ганглионарных клеток, и пациент может в буквальном смысле слова прозреть. Эта схема недавно была разработана компанией RetroSense и уже получила одобрение FDAдля лечения первого пациента. Кстати, инвестором компании недавно стал ученый и предприниматель российского происхождения Дмитрий Кузьмин. Схема терапии довольно простая — больному необходимо один или всего несколько раз в жизни сделать укол в глазное яблоко. Цена такого мероприятия пока что неизвестна, но, будем надеяться, его смогут себе позволить многие пациенты.

Этой успешной разработке предшествовал другой научный прорыв: ученые из Института биологических исследований Солка (Salk Institute) научились вводить гены не только в делящиеся, но и в постмитотические, «зрелые» клетки — например, клетки глаза, мозга, поджелудочной железы или сердца. Для того чтобы достичь своей цели, ученые использовали хорошо известный путь репарации NHEJ (non-homologous end-joining, негомологичное соединение концов). В природе этот механизм используется для починки ДНК путем простого «сшивания» концов разорвавшихся цепей. Чтобы иметь возможность прицельно вставлять ген в нужное место, был разработан особый подход, который исследователи назвали HITI (homology-independent targeted integration, прицельная интеграция, независимая от гомологии) [2], [6]. HITI-пакет состоит из коктейля нуклеиновых кислот, который доставляется в нейроны при помощи вирусного вектора. Таким способом ученым удалось частично восстановить зрение крысам с пигментным ретинитом, вызванным повреждением гена Mertk(кодирует трансмембранный белок из семейства тирозиновых киназ, необходимый для полноценного фагоцитоза в клетках пигментного эпителия сетчатки [7]). Эта технология выглядит многообещающей для клинических ситуаций, которые можно исправить «починкой» конкретных дефектных генов.

Еще совсем недавно было сложно предположить, что незрячие люди получат возможность прозреть, однако будущее надвигается на нас с невероятной скоростью и, судя по всему, несет нам немало побед над неизлечимыми болезнями.

Литература

1. Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет;
2. New gene-editing technology partially restores vision in blind animals. (2016). ScienceDaily;
3. Оптогенетика + голография = прозрение?;
4. Обнаружены управляемые светом анионные каналы;
5. Создан управляемый светом калиевый канал;
6. Keiichiro Suzuki, Yuji Tsunekawa, Reyna Hernandez-Benitez, Jun Wu, Jie Zhu, et. al.. (2016). In vivo genome editing via CRISPR/Cas9 mediated homology-independent targeted integration. Nature. 540, 144-149;
7. Emeline F. Nandrot, Kathryn E. Silva, Christina Scelfo, Silvia C. Finnemann. (2012). Retinal pigment epithelial cells use a MerTK-dependent mechanism to limit the phagocytic particle binding activity of αvβ5 integrin. Biology of the Cell. 104, 326-341.