Фотостимуляция
Фотостимуляция — это использование света для искусственной активации биологических соединений, клеток , тканей или даже целых организмов . Фотостимуляцию можно использовать для неинвазивного исследования различных взаимосвязей между различными биологическими процессами, используя только свет. В долгосрочной перспективе фотостимуляция может быть использована в различных видах терапии, например, при мигрени . Кроме того, фотостимуляция может использоваться для картирования нейронных связей между различными областями мозга путем «распаковывания» сигнальных биомолекул с помощью света. [ 1 ] Терапию фотостимуляцией называют светотерапией , фототерапией или фотобиомодуляцией.
Методы фотостимуляции делятся на две общие категории: один набор методов использует свет, чтобы высвободить соединение, которое затем становится биохимически активным, связываясь с нижестоящим эффектором. Например, свободный от клеток глутамат полезен для обнаружения возбуждающих связей между нейронами, поскольку свободный от клеток глутамат имитирует естественную синаптическую активность одного нейрона, воздействующего на другой. Другой основной метод фотостимуляции — использование света для активации светочувствительного белка, такого как родопсин , который затем может возбудить клетку, экспрессирующую опсин.
Ученые уже давно постулировали необходимость контролировать один тип клеток, оставляя окружающие его нетронутыми и нестимулированными. Хорошо известные научные достижения, такие как использование электрических стимулов и электродов, позволили добиться активации нейронов, но не смогли достичь вышеупомянутой цели из-за их неточности и неспособности различать разные типы клеток. [ 2 ] Использование оптогенетики (искусственная активация клеток с помощью световых раздражителей) уникально благодаря своей способности точно и своевременно доставлять световые импульсы. Оптогенетика в некоторой степени двунаправлена в своей способности управлять нейронами. Каналы могут быть деполяризованными или гиперполяризованными в зависимости от длины волны света, попадающего на них. [ 3 ] Например, этот метод можно применить к катионным каналам родопсина, чтобы инициировать деполяризацию нейронов и, в конечном итоге, активацию при освещении. И наоборот, торможение активности нейрона может быть вызвано с помощью оптогенетики, как в случае с хлоридным насосом галородопсином, который гиперполяризует нейроны. [ 3 ]
Однако прежде чем можно будет провести оптогенетику, субъект должен экспрессировать целевые каналы. Естественные и богатые микробами родопсины, включая бактериородопсин, галорородопсин и каналродопсин, каждый из них имеет различный характерный спектр действия, который описывает набор цветов и длин волн, на которые они реагируют и заставляют функционировать. [ 4 ]
Было показано, что каналродопсин-2 , монолитный белок, содержащий датчик света и катионный канал, обеспечивает электрическую стимуляцию соответствующей скорости и величины для активации импульсов нейронов. Недавно фотоингибирование , то есть ингибирование нервной активности светом, стало возможным благодаря применению таких молекул, как галородопсин, активируемый светом хлоридный насос, для нейронного контроля. Вместе активируемый синим светом канал родопсин-2 и активируемый желтым светом хлоридный насос галородопсин обеспечивают многоцветную оптическую активацию и подавление нейронной активности. (См. также Фотобиомодуляция )
Методы
[ редактировать ]Каркасный белок — это белок, который активируется в присутствии стимулирующего источника света. В большинстве случаев фоторасстегивание — это метод выявления активной области соединения в процессе фотолиза защитной молекулы («клетки»). Однако для извлечения белка из клеток требуется соответствующая длина волны, интенсивность и время воздействия света . Достижение этого возможно благодаря тому, что оптическое волокно можно модифицировать для передачи определенного количества света. Кроме того, короткие всплески стимуляции позволяют достичь результатов, близких к физиологической норме. Этапы фотостимуляции не зависят от времени, поскольку доставка белка и активация света могут осуществляться в разное время. Это связано с тем, что эти два этапа активации белка зависят друг от друга. [ 5 ]
Некоторые белки обладают врожденной светочувствительностью и функционируют в присутствии света. Белки, известные как опсины, составляют основу светочувствительных белков. Эти белки часто обнаруживаются в глазах. Кроме того, многие из этих белков функционируют как ионные каналы и рецепторы . Одним из примеров является то, что когда на определенные каналы подается свет определенной длины волны, закупорка пор снимается и обеспечивает трансдукцию ионов. [ 6 ]
Чтобы освободить молекулы, необходима система фотолиза, расщепляющая ковалентную связь . Пример системы может состоять из источника света (обычно лазера или лампы), контроллера количества поступающего света, направляющей для света и системы доставки. Часто конструкция функционирует таким образом, что между рассеивающим светом встречается среда, которая может вызвать дополнительный нежелательный фотолиз и ослабление света; оба являются серьезными проблемами с системой фотолиза. [ 5 ]
История
[ редактировать ]Идея фотостимуляции как метода управления функциями биомолекул возникла в 1970-х годах. Два исследователя, Вальтер Штекениус и Дитер Остерхельт, в 1971 году открыли ионный насос, известный как бактериородопсин , который функционирует в присутствии света. [ 7 ] В 1978 году Дж. Ф. Хоффман изобрел термин «клетка». К сожалению, этот термин вызвал некоторую путаницу среди ученых из-за того, что этот термин часто используется для описания молекулы, которая находится в ловушке внутри другой молекулы. Его также можно спутать с «эффектом клетки» при рекомбинации радикалов. Поэтому некоторые авторы решили использовать термин «активируемый светом» вместо «клетка». Оба термина используются в настоящее время. Первая «клеточная молекула», синтезированная Хоффманом и соавт. в Йельском университете был предшественником производного АТФ 1. [ 8 ]
Приложения
[ редактировать ]Фотостимуляция отличается своей временной точностью, которую можно использовать для получения точного времени начала активации клеточных эффекторов. В сочетании с клеточными ингибиторами можно изучить роль биомолекул в определенные моменты жизненного цикла организма. Каркасный ингибитор чувствительного к N-этилмалеимиду слитого белка (NSF), ключевого медиатора синаптической передачи, использовался для изучения зависимости NSF от времени. [ 9 ] Несколько других исследований показали, что потенциал действия активируется за счет использования клеточных нейротрансмиттеров, таких как глутамат. [ 10 ] [ 11 ] Клеточные нейротрансмиттеры, в том числе фотолабильные предшественники глутамата , дофамина , серотонина и ГАМК , коммерчески доступны. [ 12 ]
Передача сигналов во время митоза изучалась с использованием репортерных молекул с клеточным флуорофором , который не фосфорилируется, если не происходит фотолиза. [ 13 ] Преимущество этого метода заключается в том, что он обеспечивает «моментальный снимок» активности киназы в определенные моменты времени, а не записывает всю активность с момента введения репортера.
Ионы кальция играют важную сигнальную роль, и контроль их высвобождения с помощью клеточных каналов тщательно изучен. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
К сожалению, не все организмы производят или содержат достаточное количество опсинов. Таким образом, ген опсина необходимо ввести в нейроны-мишени, если они еще не присутствуют в исследуемом организме. Добавления и экспрессии этого гена достаточно для использования в оптогенетике. Возможные средства достижения этого включают создание трансгенных линий, содержащих этот ген, или острый перенос гена в определенную область или регион внутри индивидуума. Эти методы известны как трансгенез зародышевой линии и доставка соматических генов соответственно. [ 17 ]
Оптогенетика показала значительные перспективы в лечении ряда неврологических расстройств, таких как болезнь Паркинсона и эпилепсия. Оптогенетика потенциально может облегчить манипулирование и нацеливание на определенные типы клеток или нервные цепи, характеристики, которых нет в современных методах стимуляции мозга, таких как DBS. На данный момент использование оптогенетики в лечении нервных заболеваний практически реализовано только в области нейробиологии, чтобы узнать больше о механизмах конкретных расстройств. Прежде чем метод может быть реализован для прямого лечения этих расстройств, необходимо также добиться определенных успехов в других смежных областях, таких как генная терапия, опсиновая инженерия и оптоэлектроника. [ 18 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Марина де Томмазо; Даниэле Маринаццо; Луиджи Нитти; Марио Пелликоро; Марко Гвидо; Клаудия Серпино; Себастьяно Страмалья (2007). «Влияние леветирацетама по сравнению с топираматом и плацебо на визуально вызываемые изменения фазовой синхронизации альфа-ритма при мигрени». Клиническая нейрофизиология . 118 (10): 2297–2304. дои : 10.1016/j.clinph.2007.06.060 . hdl : 1854/LU-8697646 . ПМИД 17709295 . S2CID 20094637 .
- ^ Дейсерот, Карл. «Оптогенетика: управление мозгом с помощью света [расширенная версия]» . Научный американец . Проверено 14 октября 2017 г.
- ^ Jump up to: а б ЛаЛюмьер, Райан Т. (1 января 2011 г.). «Новая методика управления мозгом: оптогенетика и ее потенциал для использования в исследованиях и клинике» . Стимуляция мозга . 4 (1): 1–6. дои : 10.1016/j.brs.2010.09.009 . ПМИД 21255749 . S2CID 3256131 .
- ^ Чоу, Брайан Ю.; Хан, Сюэ; Бойден, Эдвард С. (2012). Генетически закодированные молекулярные инструменты для подавления активности целевых нейронов под действием света . Прогресс в исследованиях мозга. Том. 196. стр. 49–61. дои : 10.1016/B978-0-444-59426-6.00003-3 . ISBN 9780444594266 . ISSN 0079-6123 . ПМЦ 3553588 . ПМИД 22341320 .
- ^ Jump up to: а б Г.В. Годвин; Д. Че; Д. М. О'Мэлли; Ц. Чжоу (1996). «Фотостимуляция клеточными нейротрансмиттерами с использованием оптоволоконных световодов». Нейронаучные методы . 93 (1): 91–106. дои : 10.1016/s0165-0270(96)02208-x . ПМИД 9130682 . S2CID 35862919 .
- ^ Г. Сандос; Дж. Левитц (2013). «Оптогенетические методы исследования нативных калиевых каналов» . Границы молекулярной нейронауки . 6 :6. дои : 10.3389/fnmol.2013.00006 . ПМЦ 3622882 . ПМИД 23596388 .
- ^ Карл Дейсерот (2011). «Оптогенетика» . Природные методы . 8 (1): 26–29. дои : 10.1038/nmeth.f.324 . ПМК 6814250 . ПМИД 21191368 .
- ^ Гюнтер Майер, Александр Хекель (2006). «Биологически активные молекулы с «выключателем света» ». Энджью. Хим . 45 (30): 4900–4921. дои : 10.1002/anie.200600387 . ПМИД 16826610 .
- ^ Кунер Т., Ли Ю, Джи КР, Боневальд Л.Ф., Августин Г.Дж. (2008). «Фотолиз клеточного пептида обнаруживает быстрое действие чувствительного фактора N-этилмалеимида до высвобождения нейромедиатора» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 105 (1): 347–352. дои : 10.1073/pnas.0707197105 . ПМК 2224215 . ПМИД 18172208 .
- ^ Э. М. Каллауэй; Р. Юсте (2002). «Стимулирование нейронов светом». Современное мнение в нейробиологии . 12 (5): 587–592. дои : 10.1016/s0959-4388(02)00364-1 . ПМИД 12367640 . S2CID 18176577 .
- ^ Г. Дорман; Г. Д. Прествич (2000). «Использование фотолабильных лигандов при открытии и разработке лекарств». Тенденции Биотехнологии . 18 (2): 64–77. дои : 10.1016/s0167-7799(99)01402-x . ПМИД 10652511 .
- ^ «Клетчатые соединения | Фотолиз» .
- ^ Дай З., Дулянинова Н.Г., Кумар С., Бресник А.Р., Лоуренс Д.С. (2007). «Визуальные снимки внутриклеточной киназной активности в начале митоза» . Химия и биология . 14 (11): 1254–1260. doi : 10.1016/j.chembiol.2007.10.007 . ПМК 2171364 . ПМИД 18022564 .
- ^ Эллис-Дэвис GC (2007). «Клетчатые соединения: технология фотовысвобождения для контроля клеточной химии и физиологии» . Нат. Методы . 4 (8): 619–628. дои : 10.1038/nmeth1072 . ПМК 4207253 . ПМИД 17664946 .
- ^ Николенко В., Посканцер К.Е., Юсте Р. (2007). «Двухфотонная фотостимуляция и визуализация нейронных цепей». Нат. Методы . 4 (11): 943–950. дои : 10.1038/nmeth1105 . ПМИД 17965719 . S2CID 1421280 .
- ^ Неве П., Ожар И., Бенбрахим С., Ле Со Т., Аллеманд Ж. Ф., Вриз С., Бенсимон Д., Жюльен Л. (2008). «Клеточная ретиноевая кислота для одно- и двухфотонного возбуждения эмбрионов рыбок данио». Энджью. хим. Межд. Эд . 47 (20): 3744–3746. дои : 10.1002/anie.200800037 . ПМИД 18399559 .
- ^ Дюге, Гийом П.; Акеманн, Вальтер; Кнопфель, Томас (01 января 2012 г.). «Комплексная концепция оптогенетики». В Кнопфеле, Томас; Бойден, Эдвард С. (ред.). Оптогенетика: инструменты контроля и мониторинга активности нейронов . Прогресс в исследованиях мозга. Том. 196. Эльзевир. стр. 1–28. дои : 10.1016/B978-0-444-59426-6.00001-X . ISBN 9780444594266 . ПМИД 22341318 .
- ^ Махмуди, Парижа; Велади, Хади; Пакдел, Фируз Г. (2017). «Оптогенетика, инструменты и приложения в нейробиологии» . Журнал медицинских сигналов и датчиков . 7 (2): 71–79. дои : 10.4103/2228-7477.205506 . ISSN 2228-7477 . ПМЦ 5437765 . ПМИД 28553579 .