Naukowcy wprowadzili gen receptora zielonego światła do oczu niewidomych myszy, a miesiąc później myszy omijały przeszkody równie łatwo, jak te bez problemów ze wzrokiem.

Myszy widziały ruch, zmiany jasności w zakresie tysiąckrotnym i drobne szczegóły na iPadzie wystarczające do rozróżnienia liter.

Naukowcy twierdzą, że w ciągu zaledwie trzech lat terapia genowa – którą przeprowadzili za pomocą nieaktywnego wirusa – może przejść do testów na ludziach, którzy stracili wzrok z powodu zwyrodnienia siatkówki, najlepiej dając im wystarczająco dużo widzenia, aby mogli się poruszać i potencjalnie przywrócić ich zdolność do czytania lub oglądania wideo.

„Wstrzyknąłbyś tego wirusa do oka osoby, a kilka miesięcy później coś by zobaczyła” – mówi Ehud Isacoff, profesor biologii molekularnej i komórkowej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley i dyrektor Helen Wills Instytut Neurologii.

„…jak cudownie byłoby, gdyby osoby niewidome odzyskały umiejętność czytania ze standardowego monitora komputera, komunikowania się za pomocą wideo, oglądania filmu”.

„W przypadku chorób neurodegeneracyjnych siatkówki często wszystko, co ludzie próbują zrobić, to zatrzymać lub spowolnić dalszą degenerację. Ale coś, co przywraca obraz w ciągu kilku miesięcy – to niesamowita rzecz do przemyślenia”.

Około 170 milionów ludzi na całym świecie cierpi na związane z wiekiem zwyrodnienie plamki żółtej, które dotyka jedną na 10 osób w wieku powyżej 55 lat, podczas gdy 1.7 miliona ludzi na całym świecie cierpi na najpowszechniejszą postać dziedzicznej ślepoty, barwnikowe zwyrodnienie siatkówki, które zazwyczaj pozostawia ludzi ślepych w starszym wieku z 40.

„Mam przyjaciół, którzy nie postrzegają światła, a ich styl życia jest bolesny” — mówi John Flannery, profesor biologii molekularnej i komórkowej na wydziale School of Optometry.

„Muszą wziąć pod uwagę to, co osoby widzące uważają za oczywiste. Na przykład za każdym razem, gdy idą do hotelu, układ każdego pokoju jest trochę inny i potrzebują kogoś, kto oprowadzi ich po pokoju, podczas gdy oni będą budować w głowie mapę 3D. Przedmioty codziennego użytku, takie jak niski stolik kawowy, mogą stanowić zagrożenie upadku. Obciążenie chorobami jest ogromne wśród osób z poważną, powodującą niepełnosprawność utratą wzroku i mogą być pierwszymi kandydatami do tego rodzaju terapii”.

Nowa terapia polega na wstrzykiwaniu inaktywowanych wirusów do ciała szklistego w celu przeniesienia genu bezpośrednio do komórek zwojowych. Wcześniejsze wersje terapii wirusowej wymagały wstrzyknięcia wirusów pod siatkówkę (na dole). (Źródło: John Flannery)

Obecnie opcje dla takich pacjentów są ograniczone do elektronicznego implantu oka podłączonego do kamery wideo umieszczonej na okularach – niezręcznej, inwazyjnej i drogiej konfiguracji, która wytwarza obraz na siatkówce, który jest obecnie odpowiednikiem kilkuset piksele. Normalne, ostre widzenie obejmuje miliony pikseli.

Korekta defektu genetycznego odpowiedzialnego za zwyrodnienie siatkówki również nie jest prosta, ponieważ istnieje ponad 250 różnych mutacji genetycznych odpowiedzialnych za samo tylko zwyrodnienie barwnikowe siatkówki. Około 90 procent z nich zabija komórki fotoreceptorów siatkówki - pręciki wrażliwe na słabe światło i czopki odpowiedzialne za postrzeganie kolorów w świetle dziennym. Ale zwyrodnienie siatkówki zwykle oszczędza inne warstwy komórek siatkówki, w tym komórki dwubiegunowe i komórki zwojowe siatkówki, które mogą pozostać zdrowe, choć niewrażliwe na światło, przez dziesięciolecia po całkowitej utracie wzroku.

W swoich badaniach na myszach naukowcom udało się uwrażliwić na światło 90 procent komórek zwojowych.

Prosty system

Aby odwrócić ślepotę u tych myszy, naukowcy zaprojektowali wirusa skierowanego do komórek zwojowych siatkówki i załadowali go genem receptora światłoczułego, opsyny czopka zielonego (o średniej długości fali). Zwykle tylko czopki fotoreceptorów wyrażają tę opsynę, co czyni je wrażliwymi na zielono-żółte światło. Kiedy naukowcy wstrzyknęli go do oka, wirus przeniósł gen do komórek zwojowych, które normalnie są niewrażliwe na światło, i uczynił je wrażliwymi na światło i zdolnymi do wysyłania sygnałów do mózgu, które interpretował jako wzrok.

„Do tego stopnia, że ​​możemy przetestować myszy, nie można odróżnić zachowania myszy leczonych optogenetycznie od normalnych myszy bez specjalnego wyposażenia” – mówi Flannery. „Okazuje się, na co to przekłada się u pacjenta”.

U myszy naukowcy dostarczyli opsyny do większości komórek zwojowych siatkówki. Aby leczyć ludzi, musieliby wstrzykiwać znacznie więcej cząsteczek wirusa, ponieważ ludzkie oko zawiera tysiące razy więcej komórek zwojowych niż oko myszy. Jednak zespół opracował sposób na zwiększenie dostarczania wirusów i ma nadzieję wstawić nowy czujnik światła do podobnie wysokiego odsetka komórek zwojowych, ilości odpowiadającej bardzo dużej liczbie pikseli w aparacie.

Pomarańczowe linie śledzą ruch myszy w ciągu pierwszej minuty po umieszczeniu ich w dziwnej klatce. Ślepe myszy (na górze) ostrożnie trzymają się rogów i boków, podczas gdy leczone myszy (w środku) badają klatkę prawie tak samo jak myszy normalnie widzące (na dole). (Źródło: Ehud Isacoff/John Flannery)

Isacoff i Flannery wpadli na proste rozwiązanie po ponad dekadzie próbowania bardziej skomplikowanych schematów, w tym wstawiania do przeżywających komórek siatkówki kombinacji genetycznie zmodyfikowanych receptorów neuroprzekaźników i światłoczułych przełączników chemicznych. Te zadziałały, ale nie osiągnęły czułości normalnego widzenia. Opsy z drobnoustrojów testowanych w innych miejscach również miały niższą czułość, co wymagało użycia gogli wzmacniających światło.

Aby uchwycić wysoką czułość naturalnego widzenia, naukowcy zwrócili się ku opsom receptorów światła w komórkach fotoreceptorów. Używając wirusa związanego z adenowirusem, który naturalnie infekuje komórki zwojowe, udało im się wprowadzić gen opsyny siatkówki do genomu komórek zwojowych. Wcześniej niewidome myszy uzyskały wzrok na całe życie.

„To, że ten system działa, jest naprawdę satysfakcjonujące, po części dlatego, że jest również bardzo proste” — mówi Isacoff. „Jak na ironię, mogłeś to zrobić 20 lat temu”.

Naukowcy zbierają fundusze, aby w ciągu trzech lat przeprowadzić terapię genową na ludziach. Podobne systemy dostarczania AAV zostały zatwierdzone przez FDA w przypadku chorób oczu u osób ze zwyrodnieniowymi chorobami siatkówki, które nie mają alternatywy medycznej.

Wbrew szansom

Według Flannery'ego i Isacoffa większość ludzi zajmujących się polem widzenia wątpiłaby, czy opsyny mogą działać poza ich wyspecjalizowanymi komórkami fotoreceptorowymi pręcików i czopków. Powierzchnia fotoreceptora jest ozdobiona opsynami — rodopsyną w pręcikach oraz opsyną czerwoną, zieloną i niebieską w czopkach — osadzonymi w skomplikowanej maszynie molekularnej. Przekaźnik molekularny – kaskada sygnałowa receptora sprzężonego z białkiem G – wzmacnia sygnał tak skutecznie, że jesteśmy w stanie wykryć pojedyncze fotony światła.

Układ enzymatyczny ładuje opsynę, gdy wykryje foton i zostanie „wybielony”. Regulacja sprzężenia zwrotnego dostosowuje system do bardzo różnych jasności tła. Wyspecjalizowany kanał jonowy generuje silny sygnał napięciowy. Bez przeszczepienia całego systemu uzasadnione było podejrzenie, że opsyna nie zadziała.

W normalnej siatkówce fotoreceptory – pręciki (niebieskie) i czopki (zielone) – wykrywają światło i przekazują sygnały do ​​innych warstw oka, kończąc na komórkach zwojowych (fioletowych), które komunikują się bezpośrednio z ośrodkiem widzenia w mózgu. (Źródło: UC Berkeley)

Ale Isacoff, który specjalizuje się w receptorach sprzężonych z białkiem G w układzie nerwowym, wiedział, że wiele z tych części występuje we wszystkich komórkach. Podejrzewał, że opsyna automatycznie połączy się z systemem sygnalizacyjnym komórek zwojowych siatkówki. Razem, on i Flannery początkowo próbowali rodopsyny, która jest bardziej wrażliwa na światło niż czopki opsyny.

Ku ich radości, kiedy wprowadzili rodopsynę do komórek zwojowych myszy, których pręciki i czopki całkowicie zdegenerowały się i które w konsekwencji były ślepe, zwierzęta odzyskały zdolność odróżniania ciemności od światła - nawet słabego światła w pomieszczeniu. Jednak rodopsyna okazała się zbyt wolna i zawiodła w rozpoznawaniu obrazów i obiektów.

Następnie spróbowali zielonej stożkowej opsyny, która zareagowała 10 razy szybciej niż rodopsyna. Co ciekawe, myszy były w stanie odróżnić linie równoległe od poziomych, linie blisko rozmieszczone i szeroko rozstawione (standardowe zadanie ludzkiej ostrości), linie ruchome od linii stacjonarnych. Przywrócona wizja była tak czuła, że ​​iPady mogły być używane do wyświetlania obrazu zamiast znacznie jaśniejszych diod LED.

„To potężnie przyniosło przesłanie do domu” — mówi Isacoff. „W końcu, jak cudownie byłoby, gdyby osoby niewidome odzyskały umiejętność czytania ze standardowego monitora komputera, komunikowania się za pomocą wideo, oglądania filmu”.

Te sukcesy sprawiły, że Isacoff i Flannery chcieli pójść o krok dalej i przekonać się, czy zwierzęta mogą poruszać się po świecie z przywróconym wzrokiem. Co uderzające, również tutaj zielony stożek opsin odniósł sukces. Niewidome myszy odzyskały zdolność wykonywania jednego z najbardziej naturalnych zachowań: rozpoznawania i eksploracji obiektów trójwymiarowych.

Następnie zadali pytanie: „Co by się stało, gdyby osoba z odzyskanym wzrokiem wyszła na zewnątrz w jaśniejsze światło? Czy zostaliby oślepieni przez światło? Tutaj pojawiła się kolejna uderzająca cecha systemu, mówi Isacoff: Ścieżka sygnalizacyjna zielonego stożka opsyny dostosowuje się. Zwierzęta wcześniej niewidome przystosowały się do zmiany jasności i mogły wykonywać to zadanie równie dobrze jak zwierzęta widzące. Ta adaptacja działała w zakresie około tysiąca razy — różnica zasadniczo między przeciętnym oświetleniem wewnętrznym i zewnętrznym.

„Kiedy wszyscy mówią, że to nigdy nie zadziała i że jesteś szalony, zwykle oznacza to, że coś ci się pomieszało” — mówi Flannery. Rzeczywiście, to coś równa się pierwszemu udanemu przywróceniu wzorcowego widzenia za pomocą ekranu komputera LCD, pierwszemu, który przystosował się do zmian światła otoczenia i pierwszemu, który przywrócił naturalne widzenie obiektów.

Badanie pojawia się w Nature Communications. Zespół testuje teraz wariacje na ten temat, które mogłyby przywrócić widzenie kolorów i jeszcze bardziej zwiększyć ostrość i adaptację. Badania wspierały National Eye Institute of the National Institutes of Health, Centrum Rozwoju Nanomedycyny do Optycznej Kontroli Funkcji Biologicznych, Fundacja na rzecz Walki ze Ślepotością, Fundacja Nadzieja dla Wzroku oraz Lowy Medical Research Institute.

Źródło: UC Berkeley

Powiązane książki

at Rynek wewnętrzny i Amazon