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
«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
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
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.
