QUE TENDRA QUE VER UNA ALGA CON LA VISION? CONOCIENDO LA OPTOGENETICA

Como casi todo en la ciencia, la explicación hay que buscarla en la naturaleza.

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En 2002, los investigadores Peter Hegemann y Georg Nagel encontraron canalrodopsinas en la membrana de algunas algas, como Chlamydomonas reinhardtii, observaron que en la naturaleza, cuando la luz llega al alga, el canalrodopsina se modifica y se activa una compleja maquinaria intracelular que provoca que el alga se aleje de la luz.

Entramos en el fascinante mundo de la OPTOGENETICA.

A GRANDES RASGOS …..

La optogenètica es una técnica que combina métodos ópticos y genéticos para manipular la función de un elemento biológico.

La técnica empieza con modificar las neuronas de los animales introduciendo genes sensibles a la luz, por ejemplo sacados de algas. Luego, se inserta una fibra óptica en la zona del cerebro que se quiere estimular. Cuando se ilumina, los genes introducidos inducen un proceso que acaba en una descarga eléctrica que estimula las neuronas. Las ventajas del mecanismo son que permite estimular sólo el tipo de neuronas que le interesa al científico, y encender y apagar la luz rápidamente, a la misma velocidad que los procesos neuronales.

COMO FUNCIONA?

La base de la optogenética consiste en introducir dentro de células clave genes exógenos que codifiquen proteínas sensibles a la luz (opsinas). Estas proteínas, que cambian de aspecto al recibir el impacto de los fotones de la luz, sirven para modificar el comportamiento de la célula, dependiendo de la presencia o ausencia de luz, generando una velocidad de respuesta del orden de milisegundos y una precisión que puede restringirse a células aisladas

La optogenética se sustenta en cuatro pilares básicos:

1- el desarrollo de las proteínas sensibles a la luz (herramientas básicas del sistema),

2- la puesta a punto de estrategias para introducir los genes en la células diana,

3.- la resolución temporal que ofrece la técnica, y

4- la posibilidad de aplicar la fotosensibilidad a otras proteínas que desencadenan respuestas diferentes.

1.- LAS OPSINAS I LOS CROMOFOROS

Las opsinas son proteínas naturales sensibles a la luz, normalmente integradas en la membrana celular y con un cromóforo.

En su acepción más general, un cromóforo es cualquier molécula o parte de una molécula responsable del color de la misma. Los cromóforos producen color porque son capaces de absorber ciertas longitudes de onda de la luz visible y transmitirla o reflejarla a otras diferentes, esto es debido a que algunos de los átomos de estos cromóforos tienen electrones que pueden “saltar” de unos orbitales a otros cuando son excitados, desprendiendo energía en el proceso.

El cromóforo de las opsinas es el retinal, el cual isomeriza (es decir, cambia de isómero, por ejemplo, pasando de una configuración cis a otra trans) cuando es excitado por la luz, produciendo la activación de la opsina a la cual está unido covalentemente.

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Representación de una opsina con la ubicación del cromóforo retinal (izquierda). Dos variantes moleculares del cromóforo retinal (derecha).

Los mamíferos disponemos de opsinas en nuestra retina, que al activarse son las responsables de que podamos percibir la luz y el color. Pero hay otras opsinas, procedentes de microorganismos, que combinan un dominio sensible a la luz y un canal iónico en la misma proteína, de forma que cuando son excitadas por la longitud de onda apropiada, abren ése canal iónico dejando pasar iones a su través y pueden modular el potencial de membrana e inducir despolarización. La despolarizació de membrana produce la activación transitoria de señales eléctricas que son la base de la comunicación neuronal. He aquí el interruptor que andábamos buscando: si le da la luz, se abre; si no, se cierra.

El primero de estos interruptores neuronales fue la canalrodopsina – 2 (ChR2) que tras ser expresada en las neuronas fue capaz de despolarizar la membrana de éstas al ser activada mediante luz azul. Posteriormente se han ido desarrollando otras variantes de esta opsina y caracterizando otras de forma que la “caja de herramientas optogenéticas” está rápidamente expandiéndose y se está consiguiendo no solo un control multimodal de la actividad neuronal sinó que se está extrapolando su utilización en otros tejidos no neuronales.

2.- LOS GENES

La segunda gran propiedad de la técnica consiste en la capacidad de dirigir la manipulación a unas células determinadas. Esto se consigue inyectando un virus en el cerebro de los animales. Dichos virus obtenidos mediante ingeniería genética transportan, no sólo la información genética necesaria para generar la proteína deseada, sino además una secuencia (denominada promotor) que permite que esa proteína se exprese solamente en las neuronas que nosotros queramos y hacerlas fotomanipulables.

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3.- LA LUZ

Una vez que tenemos a nuestro animal expresando la proteína que queríamos y en los tipos neuronales deseados, el siguiente paso será activar esas proteínas. ¿Cómo hacerlo? Pues implantando al animal, un cable de fibra óptica mediante cirugía estereotáxica, para que llegue hasta la región del cerebro cuya actividad queremos modular. El siguiente paso consistiría en conectar esa fibra óptica a una fuente de luz. Y la mejor forma de conseguir una fuente de luz de una longitud de onda determinada es emplear un láser. A partir de ahí ya todo consiste en encender o apagar la luz y medir lo que se nos antoje, como una determinada conducta, ciertos marcadores bioquímicos que sospechemos que pueden variar cuando activamos esas células, o incluso respuestas eléctricas en otras regiones del cerebro que pensemos que pueden estar conectadas con las neuronas cuya actividad estamos modulando.

La aplicación de pulsos de luz del orden de milisegundos tiene especial importancia al permitir observar respuestas que actúan en milésimas de segundo, o cuando hace falta estimular células con patrones temporales de frecuencias controladas.

4.- DIFERENTES RESPUESTAS

La manipulación genética permite aplicar fotosensibilidad a otras proteínas que desencadenan respuestas diferentes a la entrada de cargas eléctricas en la célula. De esta forma, se pueden testar procesos básicos en biología celular y molecular que son universales en todas las células o que tiene lugar solo en algunas células difíciles de manipular.

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UN POCO DE HISTORIA: LOS INVESTIGADORES

  • Debemos dar un salta hasta el año 1999 y situarnos en la Universidad de California, San Diego, donde Francis Crick anticipó en sus conferencias la posibilidad de utilizar la luz para controlar selectivamente modelos de actividad neuronal específica dentro de los diferentes subtítulos de células del cerebro (Crick, F. (1999). «The impact of molecular biology on neuroscience». Philosophical Transactions of the Royal Society B 354 (1392): 2021-25).

  • En 2002, Boris Zemelman y Gero Miesenböck utilizaron la luz para controlar neuronas genéticamente sensibilizadas procedentes de mamíferos (Zemelman, B. V.; Lee, G. A.; Ng, M.; Miesenböck, G. (2002). “Selective photostimulation of genetically chARGed neurons”. Neuron 33 (1): 15–22. doi:10.1016/S0896-6273(01)00574-8).

  • En 2003, los equipos de Peter Hegemann y Georg Nagel encontraron canalrodopsinas en la membrana de algunas algas, como Chlamydomonas reinhardtii (Nagel,, G.; Szellas, T.; Huhn, W.; Kateriya, S.; Adeishvili, N.; Berthold, P.; Ollig, D.; Hegemann, P.; Bamberg, E. (2003). «Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel». Proc Natl Acad Sci U S A 100 (24): 13940-5). 

  • Los grupos de Gottschalk y Nagel fueron los primeros en extender la usabilidad de la canalrodopsina-2 para controlar la actividad neuronal en animales intactos al mostrar que los patrones motores en el gusano redondo Caenorhabditis elegans podían ser evocados por la expresión dirigida y la estimulación de canalrodopsina-2 en los circuitos nerviosos seleccionados (Nagel, G.; Brauner, M.; Liewald, J. F.; Adeishvili, N.; Bamberg, E.; Gottschalk, A. (2005). «Light activation of channelrhodopsin-2 in excitable cells of Caenorhabditis elegans triggers rapid behavioral responses». Curr. Biol. 15 (24): 2279-84).

 

  • En 2005, Lima y Miesenböck demostraron que la fotoestimulación de grupos genéticamente circunscritos de neuronas provocaban cambios de comportamiento característicos en moscas de la fruta (Lima, S. Q.; Miesenböck, G. (2005). “Remote Control of Behavior through Genetically Targeted Photostimulation of Neurons”. Cell 121 (1): 141–152).

  • En el mismo año, Karl Deisseroth junto a Edward Boyden y Feng Zhang publicaron la primera demostración de un sistema optogenético de un solo componente, a partir de neuronas cultivadas de mamíferos utilizando canalrodopsina-2 (Boyden, E. S.; Zhang, F.; Bamberg, E.; Nagel, G.; Deisseroth, K. (2005). «Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity». Nat. Neurosci 8 (9): 1263-8.

Las neuronas tienen una característica clave para este experimento: son eléctricamente excitables, lo cual significa que pueden transmitir información en función de las cargas eléctricas que contienen. Al hacer entrar en las neuronas cargas eléctricas positivas mediante un pulso de luz, estas neuronas emitían un impulso eléctrico o potencial de acción que permite la comunicación interneuronal. Es decir se demostró que las neuronas respondían a estímulos luminosos aplicados a voluntad por los investigadores. Se abrió la puerta a toda una revolución en las neurociéncias.

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  • Recientemente el equipo liderado por Susumu Tonegawa, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), ha sido capaz de etiquetar, en cerebros de ratones, las neuronas que almacenan un recuerdo, y de reactivarlas a voluntad con un rayo de luz azul. Así han logrado convertir la memoria de una mala vivencia en un buen recuerdo.

  • Investigadores del Colegio Universitario de Londres (UCL) han elaborado un estudio sin precedentes sobre el almacenaje y la manipulación de la actividad cerebral que permite determinar qué neuronas contribuyen a una determinada función. Su experimento, publicado en Nature Methods, combina la optogenética con otro método de vanguardia neurotecnológica: el calcium imaging, que detecta la activación neuronal al incrementar la concentración de calcio cuando empiezan los impulsos nerviosos (“Simultaneous all-optical manipulation and recording of neural circuit activity with cellular resolution in vivo»,Adam M Packer, Lloyd E Russell, Henry W P Dalgleish & Michael Häusser Nature Methods 12, 140–146 (2015). 

Gracias a estos avances, la revista Science destacó la optogenética como uno de los más importantes avances científicos en 2014. 

APLICACIONES DE LA OPTOGENETICA

  1. Identificar las causas y funciones de la actividad de grupos definidos de neuronas (entender el cableado celular del cerebro), así como el efecto que generan en la conducta de las personas. Fue de este modo que los investigadores del Massachusetts, liderados por el Dr. Susumu Tonegawa, descubrieron la existencia de una red cerebral que se activa en el proceso de creación de un recuerdo, al mismo tiempo que genera cambios físicos y químicos, y expresa dicho recuerdo al exponerse a estímulos como imágenes u olores. Demostraron que los cambios químicos generados en este proceso son duraderos, y es conocido como consolidación de la memoria o “potenciación a largo plazo”, ésto implica el fortalecimiento de la sinapsis, que a su vez permite las formación de estructuras de neuronas que se envían señales unas a otras generando el aprendizaje y la experiencia.

  2. Identificar las poblaciones de células implicadas en distintos padecimientos, y los posibles tratamientos para los mismos. Por ejemplo, el grupo de neuronas que responde al tratamiento del Parkinson a través de estimulación eléctrica, fue identificado recientemente por medio de la optogenética.

  3. Ha funcionado para controlar ataques epilépticos en modelos de animales experimentale

  4. Descubrir el papel primordial que fungen las neuronas dopaminérgicas que generan adicción a la cocaína.

  5. Manipular el control neuronal del sueño y la vigilia.

  6. La luz puede también utilizarse para activar y desactivar los receptores opioides del cerebro que gestionan el dolor y la recompensa, los que generalmente son manejados con fármacos. Con este hallazgo se pretende generar fórmulas de control que no produzcan efectos secundarios como los de las drogas.

OPTOGENETICA Y VISION

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En 2006, la prestigiosa revista Neuron publicó un artículo en el que científicos americanos y chinos daban a conocer un gran logro contra un tipo de ceguera causada por Retinosis Pigmentaria (RP). Dichos investigadores consiguieron recuperar sensibilidad visual en ratones modelo de la RP, utilizando la optogenética.

Actualmente, las empresas de biotecnología americanas RetroSense Therapeutics, con sede en Michigan, y EosNeuroscience, con sede en California, tienen como objetivo restaurar la visión en pacientes ciegos mediante optogenética. La idea fundamental consiste en dotar de fotosensibilidad directamente a las neuronas de las capas internas de la retina. Es decir, cuando la fototransducción no la pueden realizar los fotorreceptores (bien porque no funcionan correctamente o porque han degenerado), otras células de la retina, tratadas con esta técnica, pueden desempeñar dicha función.

El tratamiento consistiría en la inyección de virus adenoasociados (AAV por sus siglas en inglés, Adeno Associated Virus), no causante de enfermedades en el ojo del paciente, que sería portador de la información genética necesaria para producir las proteínas sensibles a la luz en las células bipolares o ganglionares. Por regla general, los conos y bastones transmiten la información lumínica en una señal nerviosa que se transmite a través de las células ganglionares al cerebro, puesto que la terapia de RetroSense pasaría por alto ese procesamiento de la información, podría ser necesario que el cerebro aprendiese a interpretar las señales. En cambio, la aproximación planteada por EosNeuroscience, al tratar células (bipolares) más cercanas a los fotorreceptores, podría permitir la obtención de una señal visual de mayor calidad y más fácil de interpretar para el cerebro.

De hecho, los primeros ensayos clínicos en humanos, pacientes afectos de Retinosis Pigmentaria, han empezado de la mano de RetroSense Therapeutics en Michigan (EUA). Se espera que el tratamiento genere al menos 100.000 células sensibles a la luz dentro de la retina, lo cual podría traducirse en una visión considerable.

No obstante me parece importante señalar que EosNeuroscience no muestra publicaciones activas en su página web desde 2011.

Otros de los centros de estudio de la optogenética de la visión es el Institut de la Vision en París (Francia). Jens Duebel, investigador del centro, asociado con GenSight Biologics de París, una empresa que desarrolló un par de microproyectores montados en unas gafas que convierten unas imágenes de vídeo en ondas de luz a las que puede responder una retina genéticamente alterada, espera que con este sistema se puedan mejorar los resultados de percepción visual conseguidos por la optogenética.

Otros grupos han ido surgiendo con nuevos proyectos de terapia optogenética cada vez con mejores resultados.

Resulta esperanzador que existan al menos dos empresas completamente dedicadas al desarrollo de la optogenética como herramienta terapéutica y diferentes grupos de investigación en este ámbito.

Para saber más:

http://www.elsevier.es/es-revista-revista-medicina-e-investigacion-353-articulo-modelos-experimentales-optogenetica-su-aplicacion-90440266

http://medmol.es/tecnicas/optogenetica/

https://www.technologyreview.es/biomedicina/49387/el-primer-ensayo-humano-con-optogenetica-podria/

http://www.visionaware.org/blog/visionaware-blog/optogenetics-can-this-innovative-gene-therapy-treat-degenerative-retinal-disease-and-possibly-restore-sight/12

http://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.1002143

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Quant a mcreusv

Mare de tres fills, pediatra amb interés en eines TIC, especialment adreçades a nens amb baixa visió, i humanista de vocació.
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