Η Γενετικά Κατασκευασμένη Πρωτεΐνη «Magneto» Ελέγχει εξ Αποστάσεως τον Εγκέφαλο και τη Συμπεριφορά

Ο τοροοειδής μαγνητικός θάλαμος (Tokamak) του Joint European Torus  (JET) στο Επιστημονικό Κέντρο Culham

Η «ζόρικη» νέα μέθοδος χρησιμοποιεί μια μαγνητισμένη πρωτεΐνη για να ενεργοποιήσει τα εγκεφαλικά κύτταρα γρήγορα, αναστρέψιμα και μη επεμβατικά



Από τη blogger: το άρθρο αυτό αφορά επιστημονική δημοσίευση που έγινε το 2016 και πραγματεύεται την εισαγωγή στον οργανισμό ζώων (τότε, όπως αναφέρεται στη μελέτη…) ουσιών που μαγνητίζονται, με σκοπό να καταλήξουν σε στοχευμένα τμήματα του εγκεφάλου τους τα οποία στη συνέχεια θα ελεγχθούν εξ αποστάσεως, χειραγωγώντας τις λειτουργίες και αντιδράσεις τους.
Το 2016 τα πειράματα επάνω σε αυτή τη μέθοδο, η οποία περιλάμβανε μεταφορά των μαγνητικών ουσιών μέσω πρωτεϊνών, είχαν φέρει ήδη τα πρώτα εντυπωσιακά αποτελέσματα χειραγώγησης του εγκεφάλου και των αντιδράσεων.



24  Μαρτίου  2016

Ερευνητές στις Ηνωμένες Πολιτείες έχουν αναπτύξει μια νέα μέθοδο για τον έλεγχο των εγκεφαλικών κυκλωμάτων που σχετίζονται με πολύπλοκες συμπεριφορές των ζώων, χρησιμοποιώντας γενετική μηχανική για τη δημιουργία μιας μαγνητισμένης πρωτεΐνης που ενεργοποιεί συγκεκριμένες ομάδες νευρικών κυττάρων από απόσταση.

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος παράγει συμπεριφορά είναι ένας από τους απώτερους στόχους της νευροεπιστήμης – και ένα από τα πιο δύσκολα ερωτήματά της. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει μια σειρά από μεθόδους που τους επιτρέπουν να ελέγχουν εξ αποστάσεως συγκεκριμένες ομάδες νευρώνων και να διερευνούν τη λειτουργία των νευρωνικών κυκλωμάτων.

Η πιο ισχυρή από αυτές είναι μια μέθοδος που ονομάζεται οπτογενετική (Optogenetics), η οποία επιτρέπει στους ερευνητές να αλλάξουν πληθυσμούς σχετικών νευρώνων σε μια κλίμακα χιλιοστού του δευτερολέπτου με παλμούς φωτός λέιζερ. Μια άλλη πρόσφατα αναπτυγμένη μέθοδος, που ονομάζεται  χημικογενετική (Chemogenetics), χρησιμοποιεί κατασκευασμένες πρωτεΐνες που ενεργοποιούνται από σχεδιασμένα φάρμακα και μπορούν να στοχεύσουν σε συγκεκριμένους τύπους κυττάρων.

Αν και ισχυρές, και οι δύο αυτές μέθοδοι έχουν μειονεκτήματα. Η οπτογενετική είναι επεμβατική, απαιτώντας την εισαγωγή οπτικών ινών που παραδίδουν στον εγκέφαλο τους παλμούς φωτός και, επιπλέον, ο βαθμός στον οποίο το φως διεισδύει στον πυκνό εγκεφαλικό ιστό είναι σημαντικά περιορισμένος. Οι χημικογενετικές προσεγγίσεις ξεπερνούν και τους δύο αυτούς περιορισμούς, αλλά συνήθως επιφέρουν βιοχημικές αντιδράσεις που χρειάζονται αρκετά δευτερόλεπτα για να ενεργοποιήσουν τα νευρικά κύτταρα.

Η νέα τεχνική, που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο του Ali Güler στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια στο Charlottesville, και  περιγράφεται  σε μια προηγμένη διαδικτυακή δημοσίευση στο περιοδικό Nature Neuroscience, δεν είναι μόνο μη επεμβατική, αλλά μπορεί επίσης να ενεργοποιήσει τους νευρώνες γρήγορα και αναστρέψιμα.

Αρκετές προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι οι πρωτεΐνες των νευρικών κυττάρων που ενεργοποιούνται από τη θερμότητα και τη μηχανική πίεση μπορούν να τροποποιηθούν γενετικά έτσι ώστε να γίνουν ευαίσθητες στα ραδιοκύματα  και στα μαγνητικά πεδία, συνδέοντάς τις σε μια πρωτεΐνη αποθήκευσης σιδήρου που ονομάζεται φερριτίνη ή σε ανόργανα παραμαγνητικά σωματίδια. Αυτές οι μέθοδοι αντιπροσωπεύουν μια σημαντική πρόοδο – έχουν, για παράδειγμα, ήδη χρησιμοποιηθεί για  τη ρύθμιση των επιπέδων γλυκόζης αίματος σε ποντίκια –  αλλά περιλαμβάνουν πολλαπλά συστατικά που πρέπει να εισαχθούν ξεχωριστά.

Η νέα τεχνική δομείται πάνω σε αυτό το προηγούμενο έργο και βασίζεται σε μια πρωτεΐνη που ονομάζεται TRPV4, η οποία είναι ευαίσθητη τόσο στη θερμοκρασία όσο  και στις δυνάμεις τεντώματος. Αυτά τα ερεθίσματα ανοίγουν τον κεντρικό πόρο της, επιτρέποντας στο ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει μέσω της κυτταρικής μεμβράνης· αυτό προκαλεί νευρικούς παλμούς που ταξιδεύουν στο νωτιαίο μυελό και μέχρι τον εγκέφαλο.

Ο Güler και οι συνεργάτες του συλλογίστηκαν ότι οι δυνάμεις μαγνητικής ροπής (ή περιστροφής) θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν την TRPV4 τραβώντας και ανοίγοντας τον κεντρικό πόρο της, και έτσι χρησιμοποίησαν γενετική μηχανική για να ενώσουν την πρωτεΐνη με την παραμαγνητική περιοχή της φερριτίνης, μαζί με σύντομες αλληλουχίες DNA που στέλνουν σήματα στα κύτταρα να μεταφέρουν πρωτεΐνες στη μεμβράνη των νευρικών κυττάρων και να τις εισάγουν σε αυτήν.

In vivo χειρισμός της συμπεριφοράς του ψαριού Ζέβρα χρησιμοποιώντας magneto. Οι προνύμφες των ψαριών Ζέβρα παρουσιάζουν ελικοειδή συμπεριφορά ως απάντηση σε τοπικοποιημένα μαγνητικά πεδία.

Όταν εισήγαγαν αυτό το γενετικό κατασκεύασμα σε ανθρώπινα εμβρυϊκά νεφρικά κύτταρα που αναπτύσσονταν σε τρυβλία Petri, τα κύτταρα συνέθεσαν την πρωτεΐνη «Magneto» και την εισήγαγαν στη μεμβράνη τους. Η εφαρμογή μαγνητικού πεδίου ενεργοποίησε την τροποποιημένη πρωτεΐνη TRPV1, όπως αποδείχτηκε από παροδικές αυξήσεις στη συγκέντρωση ιόντων ασβεστίου μέσα στα κύτταρα, οι οποίες ανιχνεύθηκαν με μικροσκόπιο φθορισμού.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές εισήγαγαν την αλληλουχία DNA Magneto στο γονιδίωμα ενός ιού, μαζί με την πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη γονιδιακής κωδικοποίησης, και ρυθμιστικές αλληλουχίες DNA που έχουν ως αποτέλεσμα η δομή να εκφράζεται μόνο σε συγκεκριμένους τύπους νευρώνων. Στη συνέχεια εισήγαγαν τον ιό στους εγκεφάλους των ποντικών, στοχεύοντας τον ενδορινικό φλοιό (entorhinal cortex), και διαμέλισαν τους εγκεφάλους των ζώων για να αναγνωρίσουν τα κύτταρα που εξέπεμπαν πράσινο φθορισμό. Χρησιμοποιώντας μικροηλεκτρόδια, έδειξαν στη συνέχεια ότι η εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου στις φέτες του εγκεφάλου ενεργοποίησε το Magneto έτσι ώστε τα κύτταρα να παράγουν νευρικές παρορμήσεις.

Για να καθορίσουν αν το Magneto μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το χειρισμό της νευρωνικής δραστηριότητας σε ζώντα ζώα, εισήγαγαν το Magneto σε προνύμφες ψαριού-ζέβρας, στοχεύοντας νευρώνες στον κορμό και την ουρά που κανονικά ελέγχουν μια απόκριση διαφυγής. Στη συνέχεια, τοποθέτησαν τις προνύμφες ζέβρας σε ένα ειδικά κατασκευασμένο μαγνητισμένο ενυδρείο και διαπίστωσαν ότι η έκθεση σε μαγνητικό πεδίο προκαλούσε μανούβρες δίνης παρόμοιες με αυτές που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της απόκρισης διαφυγής. (Αυτό το πείραμα περιελάμβανε συνολικά εννέα προνύμφες ψαριού-ζέβρας, και μεταγενέστερες αναλύσεις αποκάλυψαν ότι κάθε προνύμφη περιείχε περίπου 5 νευρώνες που έφεραν το Magneto.)

Σε ένα τελευταίο πείραμα, οι ερευνητές εισήγαγαν ενέσιμα Magneto στα γάγγλια των ελεύθερα συμπεριφερόμενων ποντικιών, σε μια βαθιά δομή του εγκεφάλου που περιέχει νευρώνες που παράγουν ντοπαμίνη οι οποίοι εμπλέκονται στην ανταμοιβή και στο κίνητρο, και στη συνέχεια τοποθέτησαν τα ζώα σε μια συσκευή χωρισμένη σε μαγνητισμένα μη μαγνητισμένα τμήματα. Τα ποντίκια που εξέφραζαν το Magneto ξόδεψαν πολύ περισσότερο χρόνο στις μαγνητισμένες περιοχές από ό,τι τα ποντίκια που δεν το εξέφραζαν, επειδή η ενεργοποίηση της πρωτεΐνης προκαλούσε στους νευρώνες του ραβδωτού σώματος (των γαγγλίων)  την απελευθέρωση ντοπαμίνης, έτσι ώστε τα ποντίκια που βρέθηκαν σε αυτές τις περιοχές ένιωθαν ανταμοιβή. Αυτό δείχνει ότι το Magneto μπορεί να ελέγξει εξ αποστάσεως την εκτόξευση νευρώνων βαθιά μέσα στον εγκέφαλο, και επίσης να ελέγξει πολύπλοκες συμπεριφορές.

Ο νευροεπιστήμονας Steve Ramirez  του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, ο οποίος χρησιμοποιεί οπτογενετική για να χειριστεί τις αναμνήσεις στον εγκέφαλο των ποντικών, λέει ότι η μελέτη είναι «ζόρικη«.

«Προηγούμενες προσπάθειες [χρησιμοποιώντας μαγνήτες για τον έλεγχο της νευρωνικής δραστηριότητας] χρειάζονταν πολλαπλά συστατικά για να λειτουργήσει το σύστημα – έγχυση μαγνητικών σωματιδίων, έγχυση ενός ιού που εκφέρει ένα ευαίσθητο στη θερμότητα κανάλι, [ή] επιδιόρθωση του κεφαλιού του ζώου, έτσι ώστε ένα πηνίο να μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στο μαγνητισμό», εξηγεί. «Το πρόβλημα με ένα σύστημα πολλαπλών συστατικών είναι ότι υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να σπάσει κάθε μεμονωμένο κομμάτι.»

«Αυτό το σύστημα (ΣτΜ το Magneto) είναι ένας ενιαίος, κομψός ιός που μπορεί να εγχυθεί οπουδήποτε στον εγκέφαλο, γεγονός που το καθιστά τεχνικά ευκολότερο και λιγότερο πιθανό να σπάσουν τα φρουφρού κι αρώματα», προσθέτει, «και ο εξοπλισμός συμπεριφοράς τους σχεδιάστηκε έξυπνα για να περιέχει μαγνήτες όπου χρειάζεται, έτσι ώστε τα ζώα να μπορούν να κινούνται ελεύθερα».

Ως εκ τούτου, η «Μαγνητογενετική» (Magnetogenetics) είναι μια σημαντική προσθήκη στην εργαλειοθήκη των νευροεπιστημόνων, η οποία αναμφίβολα θα αναπτυχθεί περαιτέρω και θα παρέχει στους ερευνητές νέους τρόπους μελέτης της ανάπτυξης και της λειτουργίας του εγκεφάλου.



Αναφορά
Wheeler, M. A., et al. (2016). Genetically targeted magnetic control of the nervous system. Nat. Neurosci., DOI: 10.1038/nn.4265 [Abstract]


πηγή


Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Google

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s