211service.com
Genetiska 'Light Switches' kontrollerar muskelrörelser
Med hjälp av ljuskänsliga proteiner från en encellig alg och en liten LED-manschett placerad på en nerv, har forskare fått benmusklerna på möss att dra ihop sig som svar på millisekunders ljuspulser.
Lätt rörelse: Den här bilden visar ett tvärsnitt av en ischiasnerv från mus som är genetiskt modifierad för att producera ett ljuskänsligt protein (visat i grönt). Stanford-forskare använde detta protein för att utlösa muskelrörelser i djurets ben.
Studien, publicerad i tidskriften Naturmedicin , markerar den första användningen av den begynnande teknologin som kallas optogenetik för att kontrollera muskelrörelser. Utvecklad av studiemedförfattare Karl Deisseroth , en docent i bioteknik och i psykiatri och beteendevetenskap vid Stanford University, gör optogenetik det möjligt att stimulera neuroner med ljus genom att infoga genen för ett protein som kallas channelrhodopsin-2, från en grön alg. När en modifierad neuron utsätts för blått ljus, initierar proteinet elektrisk aktivitet inuti cellen som sedan sprider sig från neuron till neuron. Genom att kontrollera vilka neuroner som tillverkar proteinet, samt vilka celler som utsätts för ljus, kan forskare kontrollera neurala aktiviteter hos levande djur med oöverträffad precision. Tidningens andra senior författare, Scott Delp , professor i bioteknik, maskinteknik och ortopedisk kirurgi vid Stanford, säger att den optiska kontrollmetoden ger fantastiska fördelar jämfört med elektrisk stimulering för hans studier av muskler och biomekaniken i mänsklig rörelse.
Medlemmar av Deisseroths labb hade konstruerat möss för att producera kanalrodopsin-2 i både det centrala och det perifera nervsystemet. Michael Llewellyn, en före detta doktorand i Delps labb, utvecklade en liten, implanterbar LED-manschett för att applicera ljus på nerven jämnt. Han placerade manschetten på ischiasnerverna hos sövda möss och utlöste millisekunders ljuspulser. Detta fick benmusklerna på mössen att dra ihop sig. När Llewellyn jämförde muskelsammandragningarna som stimulerades av ljus med de som genererades med en liknande elektrisk manschett, fann han att de ljusutlösta sammandragningarna liknade mycket mer normal muskelaktivitet.
Muskler består av två olika fibrer: små, långsamma, utmattningsbeständiga fibrer som vanligtvis används för uppgifter som kräver finmotorisk kontroll under längre perioder, och större, snabbare fibrer som kan producera högre krafter men är mer utmattningsbenägna. I kroppen aktiveras de små, långsamma fibrerna först, med de stora, snabba fibrerna reserverade för snabba kraftutbrott eller hastighet. När musklerna stimuleras med elektriska pulser aktiveras de snabba fibrerna först. Med den optogenetiska omkopplaren rekryterades emellertid fibrerna i normal, fysiologisk ordning: långsamma fibrer först, snabba fibrer sedan. Genom att ändra ljusets intensitet fann Llewellyn att han till och med bara kunde utlösa de långsamma fibrerna – en bedrift som inte är möjlig med elektrisk stimulering.
På kort sikt, säger Delp, kommer tekniken att förbättra de studier som hans labb och andra gör på muskelaktivitet i djurmodeller av stroke, pareser, ALS och andra neuromuskulära störningar. Han hoppas också att sådana optiska strömbrytare med tiden – en lång tid, medger han – skulle kunna användas för att hjälpa patienter med fysiska funktionshinder orsakade av nervskador som stroke, ryggmärgsskada eller cerebral pares. En möjlighet, säger han, skulle vara att använda optisk stimulering i stället för funktionell elektrisk stimulering (FES), där elektrisk ström appliceras på specifika nerver eller muskler för att utlösa muskelsammandragningar. U.S. Food and Drug Administration har redan godkänt FES-enheter som kan återställa handfunktionen och urinblåsan för vissa förlamade personer. FES kan dock snabbt leda till muskeltrötthet. Delp hoppas att, särskilt med greppfunktioner, användning av optisk stimulering kan resultera i bättre utmattningsmotstånd och kanske bättre muskelkontroll.
Det här är en lysande studie, verkligen vacker vetenskap, säger Robert Kirsch , en bioingenjör vid Case Western Reserve University och biträdande direktör för Cleveland Functional Electrical Stimulation Center; han var inte involverad i forskningen. Jag tror att det finns många [kliniska implikationer], säger han, även om han, precis som Delp och Llewellyn, noterar att många höga hinder måste undanröjas – inte minst är att utveckla ett säkert, effektivt sätt att leverera kanalrodopsin-2-genen till nerven celler hos människor. Annars, säger Kirsch, skulle min enda invändning vara deras implikation att de har löst trötthetsproblemet med FES. Jag är ganska säker på att det inte har hänt. Kirsch menar istället att det mesta av tröttheten som ses hos FES-patienter beror på muskelatrofi och svaghet som utvecklas hos kroniskt förlamade.
C.J. Heckman , en professor i fysiologi vid Northwestern Universitys Feinberg School of Medicine, håller med: Det är sant att mycket av tröttheten hos FES-patienter beror på kronisk muskelatrofi. Men, säger han, om du kunde stimulera musklerna i rätt rekryteringsordning upprepade gånger över tid, skulle du potentiellt kunna återställa en hel del muskelfunktion. Detta kan hjälpa patienter med förlamning att bevara sina långsamma muskelfibrer, vilket skulle vara en stor affär, säger Heckman. Detta beror på att dessa fibrer gör en stor andel av musklernas arbete – allt från att behålla hållningen till att skriva på ett tangentbord.
Delp tror också att stimuleringsbaserad träning kan vara en viktig applikation för optisk muskelkontroll, liksom att hjälpa rullstolsbundna människor att stå och sträcka sig efter böcker eller tallrikar i ett skåp. Jag är dock inte superhög på att kontrollera förflyttning – det vill säga att gå – med antingen elektrisk eller optisk stimulering, säger Delp. Det är ett otroligt komplicerat kommando-och-kontrollschema som är riktigt svårt att koordinera.
Under tiden har Delp och Llewellyn påbörjat ett försök att använda ett annat ljuskänsligt protein, halorhodopsin, för att hämma motoriska nerver hos möss, med tanken på att behandla eller till och med bota muskelspasticitet, ofta en allvarlig biverkning för hjärn- eller ryggmärgsskada. . Nuvarande behandlingar är långt ifrån idealiska; läkare kan injicera botulinumtoxin i de drabbade musklerna med några månaders mellanrum för att förlama dem, använda orala mediciner som valium som påverkar hela kroppen istället för bara den drabbade muskeln, eller, i de allvarligaste fallen, skära ner nerverna eller senor hos spastikern. muskel – en permanent behandling som lämnar patienten utan kontroll över den muskeln. Delp hoppas att genmanipulation av nerverna med halorhodopsin kan göra det möjligt för människor att använda ljus för att reversibelt slappna av muskler som drabbats av spasticitet.
Jag tror att det är en bra idé för att behandla spasticitet, säger Jerry Silver , en neuroforskare vid Case Western. Det kan dock finnas vissa svårigheter på vägen, säger han. I samarbete med Case-kollegor har Silver startat ett företag som heter LucCell för att utveckla kliniska tillämpningar av optogenetik. I ett företagsprojekt försöker forskare använda halorhodopsin och andra hämmande opsiner i djurmodeller för att stänga av muskeln som styr blåsmuskeln; deras slutmål är att återställa urinblåsan till förlamade människor. Även om de har sett några fysiologiska förändringar i hur sfinktermuskeln beter sig, har de inte kunnat få den att slappna av tillräckligt. Vi lär oss att det är lättare att slå på saker än att stänga av, säger han. Fortfarande håller teamet på och letar efter bättre sätt att leverera genen till nervceller och efter sätt att öka produktionen av proteinet på cellens ytor.
Allt beror på förmågan att få transgenen på rätt plats i personens arvsmassa utan att orsaka problem, instämmer Llewellyn. Det är det främsta hindret.