Naučnici koriste optogenetiku za efikasno podsticanje mišićnih pokreta

 

Istraživači sa Stanford Universitija uspeli su iskoristiti svetlo za pokretanje uvreženog obrasca kontrakcije mišića, u studiji koja je uključivala bioinženjerske miševe čije su površine neurona obložene posebnim proteinima osetljivim na svetlo.

Savremen pristup omogućio je naučnicima preciznije reprodukovati redosled pokretanja mišića, što ga čini vrednim istraživačkim alatom. Istraživači, sa Stanford's Schools of Medicine and of Engineering, uvereni su da bi ove tehnike, od vraćanja pokretljivosti udovima, hrptenoj moždini ili mozgu paralizovanima moždanim udarom, do suprotstavljanja spastičnost uzrokovanoj cerebralnom paralizom, mogle jednoga dana doživeti svoju praktičnu primenu.

Studija, objavljena u online izdanju časopisa Nature Medicine od 26. septembar, koristi se tehnikom poznatom kao optogenetika, a uključuje umetanje specijalizovanih gena deriviranih iz algi u genoma eksperimentalnih životinja. Gen kodira protein osetljiv na svetlo koji se smešta na površini Neuron. Posebne talasne dužine svetlosti mogu podstaći aktivnosti neurona u životinjama obdarenim spomenutim proteinima, modifikujući obrasce pokretanja neurona u skladu sa volji eksperimentatora.

"Naši naučnici fokusiraju se na obnavljanje pokretljivosti kod osoba s telesnim invaliditetom", rekao je dr.sc. Scott Delp, jedan od dvojice starijih autora studije, profesor bioinženjeringa i profesor na Klark School of Engineering. "S pomoću optičke stimulacije uspeli smo reprodukovati prirodan redosled pokretanja motornih nervnih vlakana - što je važan korak napred." Optogenetika delo je dr.sc. Karla Deisserotha, drugog starijeg autora Stanfordskom studije, docenta bioinženjeringa, psihijatrije i bihejvioralne nauke, koji se njome koristio u mnogim eksperimentima kako bi istražio centralni nervni sistem životinja koje se slobodno kreću u prirodi. "Ovo je prvi put da je tehnika primenjena na perifernom nervnom sistemu sisara", rekao je Deisseroth.

Periferni nervni sistem obuhvata duga vlakna neurona koja se protežu izvan hrptene moždine kako bi inervirala skeletne mišiće, dovodeći na taj način do hotimičnih pokreta. Skeletni mišići ponašaju se kao poput nizova onoga što fiziolozi nazivaju "motornim jedinicama," od kojih se svaka sastoji od jednog vlakna neurona i mišićnih vlakana koja ono inerviše. Na pojedinim mestima duž motornog živca, određena vlakna izlaze iz živca kako bi uspostavila kontakt s promenljivim brojem vlakana skeletnih mišića.

Motorne jedinice dolaze u različitim veličinama. Manje sadrže jedno, sitno živčano vlakno koje inerviše niz mišićnih vlakana, dok nesparena, deblja nervna vlakna u većim motornim jedinicama mogu inervirati nekoliko hiljada njih. U regularnim uslovima, prilikom iniciranja pokreta potrebna je daleko snažnija stimulacija kako bi se «napumpala» debela nervna vlakna za razliku od tankih. Dakle, tanja, takozvana "sporotrzajuća" mišićna vlakna puno pre kreću sa stezanjem od većih "brzotrzajućih" vlakana. Brzotrzajuća vlakna neophodna su za snažne atletske poduhvate poput trčanja, no obzirom na brzo sagorevanje krajnjih zaliha njihova glavnoga goriva, glikogena - umor brzo nastupa. Njihovi sitniji, sporotrzajući susedi koji vlastito gorivo sagorevaju sporije, neophodni su u ostvarivanju osetljivih pokreta poput onih vezanih uz šivenje ili crtanje, kao i za odmerene grublje, snažnije pokrete. Aktivnosti koje se uglavnom oslanjaju o sitnija, sporotrzajuća vlakna mogu trajati duže vreme, dok su krupnija, brzotrzajuća vlakna sklona pojačanom trošenju rezervisana za kraće provale visokoenergiziranih aktivnosti.

Dosadašnji pokušaji vraćanja izgubljenih motoričkih funkcija korišćenjem programiranih sekvenci električnih impulsa, isporučenih putem manžetna smeštenih oko živca, omogućili su paralizovanim ljudima hodati, barem na nekoliko minuta. Nažalost, krupnija nervna vlakna osetljivija su od manjih na električne stimulacije - stoga dolazi do kontrakcije mišića pogrešnim redosledom - prvo krupnija, brzotrzajuća vlakna, zatim sitnija, sporotrzajuća; to dakako dovodi do grčenja a, vrlo skoro i do umora.

Za potrebe studije objavljene u Nature Medicine, glavni autor dr.sc. Michael Llevellin, iz Delpovog laboratorija, prilagodio je "optičku manžetna" podstavljenu sitnim diodama koje emituju svetlo, smeštenim sa unutrašnje strane koje bi se moglo postaviti oko bedrenih živaca životinja podvrgnutih bioinženjeringa. LED diode emituju plavo svetlo intenziteta dovoljno visokog da prodire duboko u živac, osiguravajući da sva njegova neophodna nervna vlakna primaju primerenu stimulaciju putem kratkih svetlosnih impulsa iz LED dioda. Istraživači su nadalje, na primeru optičke stimulacije demonstrirali reprodukovanje pravilnog redosleda pokretanja mišićnih vlakana, rezultirajući kontrakcija sličnih onima koje se odvijaju u normalnim uslovima.

Koristeći se potom različitim merenjima naučnici su uporedili optičkim putem izazvane kontrakcije mišića sa onima izazvanim električnom manžetnom. Sitna, sporotrzajuća mišićna vlakna aktivirala su se na najnižim nivoima optičke stimulacije, dok su se s pomoću električne stimulacije krupnija vlakna pokrenula pre. Štaviše, optički uslovljene kontrakcije održale su se znatno duže od onih potaknutih električnom stimulacijom.

"S pomoću optičke stimulacije, nakon 20 minuta mišići ću zadržali gotovo jednu trećinu svoje početne maksimalne snage, ostavši na toj razini još dosta dugo posle toga", rekao je Llevellin, koji trenutno završava diplomski rad na Stanfordu. "Električna stimulacija iste je mišiće u potpunosti iscrpila u roku od četiri minuta." U skladu s ovim, optička stimulacija rezultirala je kontrakcijama puno lakše u mišićima sastavljenim od pretežno sporotrzajućih vlakana za razliku od mišićima bogatijima brzotrzajućim vlaknima. Električna stimulacija, zauzvrat, izazivala je kontrakcije podjednako u oba tipa mišića. Navedeni pristup zasad je prvenstveno namenjen istraživačkim naporima, rekao je Delp. No, uspemo li pronaći način kako pouzdano upotrebiti kodiranje gena na površini proteina neurona osetljivih na svetlost kod ljudi, opcija o kliničkoj primeni na duži rok još uvek stoji, istakao je. Dok savremene tehnike uključuju električne manžete ne bi li se paraplegičarima omogućilo da hodaju barem nekoliko minuta, optičke manžete moglo bi se mikrokirurški umetnete na odgovarajuća mesta duž snopova motornih vlakana neurona kako bi svetlosni impulsi kontrolisani računarskim algoritmom mogli pokrenuti različita vlakna u različito vreme, oponašajući prirodnu fiziologiju.

Delp i Deisseroth provode slična istraživanja sa različitim proteinima koji, kao odgovor na svetlo, inhibiraju vlakna neurona umesto da podstiču impulse u njima, u nadi da će jednog dana uspeti da kontrolišu spastičnost, koja se na primer javlja kod cerebralne paralize.

Izvor: Stanford University Medical Center, znanost.com

objavljeno: oktobar, 2010.