Путь к оптогенетике начался в конце 1990-х — начале 2000-х годов — с открытия Хегеманном и Нагелем белка каналородопсина в одноклеточных водорослях хламидомонадах (Chlamydomonas). Благодаря нему водоросль «видит» свет и двигается навстречу ему — при этом ее реакция в 20 раз быстрее, чем у человеческого глаза. Ученые обнаружили, что любая клетка, в которую вводили каналородопсин из хламидомонады, становилась светочувствительной.

Исследования продолжил Карл Дайссерот. Будучи нейрохирургом, он пытался понять, как управляемо запускать электрические сигналы в мозге человека. Узнав про каналородопсин, он внедрил отвечающий за его синтез ген хламидомонады в нервные клетки крыс. Воздействуя на нейроны синим светом, он смог инициировать сигнал. Позже, в 2007 году, Дейссероту удалось создать светоуправляемый переключатель прямо в мозге живых мышей.

Карл Дейссерот, Петер Хегеманн и Георг Нагель. Источник: nobelprize.org

Карл Дейссерот, Петер Хегеманн и Георг Нагель. Источник: nobelprize.org

«Исходя из того насколько широко оптогенетика сегодня используется в нейронауках, выбор Нобелевских лауреатов вполне ожидаем. Карл Дейссерот — признанный специалист в этой области, и его вклад в развитие оптогенетики хорошо известен исследовательскому сообществу. Достижения этой области уже начинают применять в медицине — идут ранние клинические испытания по восстановлению зрения. Результаты экспериментов на мышах показывают, как можно регулировать память и включать конкретные воспоминания или подавлять их. Картирование нейронных цепей на моделях болезни Паркинсона, эпилепсии, депрессии, хронической боли помогают находить новые способы лечения этих заболеваний», — комментирует PhD, ведущий научный сотрудник Центра молекулярных и биологических технологий ИТМО, руководитель лаборатории «Молекулярная нейробиология» Вера Медведева.

Вера Медведева. Фото из личного архива спикера

Вера Медведева. Фото из личного архива спикера

По словам Веры Медведевой, до открытий Дейссерота, Хегеманна и Нагеля работу мозга можно было изучать только общими методами: например, электрической стимуляцией, затрагивающей сразу множество нейронов, или фармакологическими подходами, действующими медленно и неизбирательно. Оптогенетика же дала ученым «переключатель» для отдельных клеток мозга. Такой механизм позволяет более точно устанавливать причинно-следственные связи и целенаправленно ими управлять. Так, уже были выявлены нейронные цепи, отвечающие за память, эмоции, боль, зависимость, тревогу, депрессию, болезнь Паркинсона. Результаты исследований меняют представление о том, где ученые в будущем будут искать мишени для лечения заболеваний.

«Оптогенетика превратила науку о мозге из науки наблюдений в науку доказательств. Увидеть, что нейроны активны во время страха, — это корреляция. Включить именно их светом и вызвать страх — это уже доказательство причины. Как эндокринологу мне особенно близко, что многие важные открытия касаются гипоталамуса, где мозг связывает действие гормонов, сон, чувство голод и ощущение насыщения. Оптогенетика помогла найти нейроны, которые запускают чувство голода и подавляют его, а значит, лучше понять, почему, например, современные препараты для лечения ожирения действуют не только на кишечник и поджелудочную железу, но и на головной мозг», — отмечает эндокринолог, главный врач Клиники Фомина, руководитель магистерской программы «Науки о здоровье» ИТМО Евгения Соколова.

Евгения Соколова. Фото: Никита Селиверстов

Евгения Соколова. Фото: Никита Селиверстов

Самый яркий клинический пример использования оптогенетики на практике — частичное возвращение зрения. В 2021 году мужчине, много лет слепому из-за наследственного заболевания — пигментного ретинита, ввели в сетчатку ген светочувствительного белка. Пациент начал находить и различать контрастные предметы на столе, а электроэнцефалограмма мозга показала ответ зрительной коры на световые стимулы. Недавно также были опубликованы результаты трехлетнего этапа клинических испытаний оптогенетической терапии MCO‑010 при пигментном ретините: лечение обеспечило устойчивое улучшение зрения, эффект наблюдался независимо от типа генетической мутации, а также не было обнаружено тяжелых побочных эффектов. Сейчас авторы исследования готовят заявку на лицензирования терапии.

В России ученые тоже работают с оптогенетикой: их вклад был отмечен в научной справке Нобелевского комитета. Так, в 1978 году биофизики МГУ Феликс Литвин и Олег Синещеков впервые зафиксировали электрический ответ водоросли на свет — их подход позднее использовал Петер Хегеман. Синещеков продолжил исследования в США, где в 2002 году вместе с коллегами показал роль двух родопсинов в фототоках хламидомонады. В 2015 году он и Елена Говорунова открыли анионные каналородопсины, которые сегодня используют для подавления активности нейронов. На сегодняшний день исследования родопсинов и других инструментов оптогенетики продолжаются и в российских научных центрах, в частности в НИЦ «Курчатовский институт» и МФТИ.

В ИТМО тоже изучают работу мозга на молекулярном уровне. В лаборатории «Молекулярная нейробиология» создают клеточные модели, которые максимально приближены к физиологии мозга и потому позволяют изучать сложные нейробиологические процессы.

«Оптогенетика — это биология, которой нужна фотоника: миниатюрные источники света, оптоволоконные и беспроводные импланты, системы регистрации активности клеток и анализ больших данных. Это как раз область сильных компетенций ИТМО. Путь от вопроса о том, как водоросль плывет к свету, до пациента, который снова видит предметы, занял около двадцати лет и потребовал совместной работы биологов, физиков, инженеров и врачей. Мы как раз и учим студентов понимать этот путь целиком: как оценивать новые технологии, их безопасность и доступность и как честно объяснять обществу, что уже работает, а что пока остается лишь надеждой», — отмечает руководитель магистерской программы «Науки о здоровье» (Public Health Sciences) Евгения Соколова.