211service.com
Blinde muizen zien het licht
Blinde muizen ontwikkelden een rudimentair gezichtsvermogen toen onderzoekers bepaalde retinale cellen activeerden met behulp van een gen dat veel voorkomt in algen. De muizen konden niet alleen de aanwezigheid van licht voelen, maar ze reageerden ook op een bewegend zwart-witpatroon, wat suggereert dat ze objecten van een bepaalde grootte konden onderscheiden.
Kijk hoe ze lopen: Aan het buitenoppervlak van het netvlies van deze blinde muis ontbreekt een dikke laag fotoreceptorcellen, die normaal gesproken zou verschijnen als een extra strook blauw aan de rechterkant. Bij een ziende muis zijn het de fotoreceptorcellen die het visuele systeem vertellen wanneer er licht aanwezig is. In plaats daarvan zijn de ON bipolaire cellen van deze muis - een ander celtype van het netvlies, weergegeven in groen - ontworpen om licht te detecteren en erop te reageren met behulp van een lichtgevoelig kanaaleiwit dat normaal in algen wordt aangetroffen. Muizen behandeld met het gen voor dit kanaaleiwit renden weg van een fel licht en volgden een bewegend zwart-witpatroon, wat suggereert dat ze rudimentaire visuele vermogens hadden.
Je zou de zeer fijne details niet zien, maar je zou wat grotere objecten zien, zegt Botond Roska , een neurobioloog aan de Friedrich Miescher Instituut voor Biomedisch Onderzoek , in Zwitserland, die het onderzoek leidde samen met medewerkers van Harvard Medical School . Hun resultaten zijn deze week online gepubliceerd in Natuur Neurowetenschap .
De muizen die in het onderzoek werden gebruikt, hebben een vorm van genetisch gecontroleerde blindheid waarbij alle fotoreceptorcellen van het netvlies ontbreken. Deze aandoening, veroorzaakt door ziekten als maculaire degeneratie of retinitis pigmentosa, is de belangrijkste oorzaak van blindheid bij mensen. Omdat de fotoreceptorcellen van de muizen volledig afwezig waren, richtten de onderzoekers zich op de volgende laag cellen in het visuele circuit, bipolaire cellen genaamd.
Gewoonlijk reageren bipolaire cellen op lichtintensiteit. Een subgroep genaamd ON bipolaire cellen vuurt als reactie op licht, terwijl een andere subgroep, genaamd OFF bipolaire cellen, wordt uitgeschakeld als reactie op licht. Deze signalen werken samen om de hersenen te vertellen over de helderheid van nabije objecten. Bij de blinde muizen kan geen van deze celtypen - die hun informatie normaal gesproken van fotoreceptorcellen ontvangen - de aanwezigheid van licht waarnemen.
Roska's groep richtte zich op de ON-bipolaire cellen, met behulp van een lichtgevoelig algeneiwit genaamd channelrhodopsin-2 (ChR2) om lichtgevoeligheid te verlenen waar er voorheen geen was. In wezen hebben we fotoreceptoren opnieuw ontworpen in het netvlies, zegt Roska.
Het ChR2-eiwit nestelt zich in het buitenmembraan van een ON-bipolaire cel, waar het fungeert als een door licht geleid kanaal. Als er licht aanwezig is, gaat het kanaal open en stromen positief geladen ionen de cel binnen. Deze instroom van positieve lading activeert de cel, veroorzaakt de afgifte van neurotransmitters en verspreidt de reactie op andere nabijgelegen neuronen. Het netto-effect is dat een lichtpuls een elektrisch signaal genereert dat zich een weg baant door het oog en uiteindelijk naar de hersenen.
De truc was om alleen OP bipolaire cellen te richten. Als UIT bipolaire cellen - of een van de vele andere retinale celtypen - ook lichtgevoelig zouden worden gemaakt, zouden de hersenen gemengde signalen ontvangen als reactie op licht. Dus voordat het ChR2-gen in de ogen van de muizen werd geïnjecteerd, veranderden de onderzoekers het met een stukje regulerend DNA waarop alleen ON bipolaire cellen zouden reageren. Op die manier maakten, hoewel alle retinale celtypes het gen oppikten, alleen ON bipolaire cellen het ChR2-eiwit.
In tegenstelling tot hun blinde tegenhangers, reageerden behandelde muizen op fel licht door rond hun kooien te rennen alsof ze zich wilden verstoppen. En toen ze op een stilstaand platform in een roterende trommel met zwart-witte strepen werden geplaatst, volgden de behandelde muizen het bewegende patroon. Door steeds kleinere strepen te gebruiken, konden de onderzoekers de limiet meten van het vermogen van de muizen om details op te lossen - het is ongeveer half zo goed als dat van normale muizen, zo blijkt.
Het mooie aan dit papier was dat ze een gedragsfunctie konden herstellen die heel, heel schoon en duidelijk was, zegt Ed Boyden , een assistent-professor aan de MIT Media Lab , die een pionier was in het gebruik van ChR2 voor bio-engineering in de hersenen. Dit is de eerste gedragsverbetering die mensen hebben gemeld voor het gebruik van dit gen in het visuele systeem, zegt Boyden, die niet betrokken was bij het onderzoek.
Als de techniek is aangepast om blindheid bij mensen te behandelen, zegt Roska, zal het gen waarschijnlijk worden afgeleverd met behulp van een virus dat AAV wordt genoemd. Dit virus is een veelgebruikt hulpmiddel voor menselijke gentherapie - het werd onlangs gebruikt om een uiterst zeldzame vorm van menselijke blindheid te genezen - en het is veilig en effectief gebleken in een aantal klinische onderzoeken. Door het manteleiwit aan te passen, zouden onderzoekers AAV mogelijk kunnen aanpassen om alleen ON bipolaire cellen te infecteren, wat een nieuwe laag van specificiteit toevoegt.
Virale toediening zou de effectiviteit van de techniek kunnen vergroten, zegt Roska, en misschien nog meer het gezichtsvermogen verbeteren. Hoewel de techniek die werd gebruikt om het gen in de muisstudie toe te dienen, slechts ongeveer 10 procent van de ON-bipolaire cellen aantastte, kan AAV het bereik van het gen vergroten.
In de toekomst zijn Roska en zijn collega's ook van plan om de andere helft van het bipolaire circuit aan te pakken: de OFF bipolaire cellen. Onlangs hebben Boyden en anderen een soort zustertechniek ontwikkeld voor ChR2, met behulp van een kanaaleiwit genaamd halorhodopsine dat cellen deactiveert als reactie op licht. Als halorhodopsine specifiek tot expressie zou worden gebracht in OFF bipolaire cellen, zou dat onderdeel van het visuele circuit ook kunnen worden hersteld. Dat zou je een soort push-pull-controle geven om informatie in de hersenen te krijgen, zegt Boyden.
Maar Roska's groep is nog steeds op zoek naar een genregulator die specifiek is voor OFF bipolaire cellen, zodat ze zich met voldoende specificiteit op halorhodopsine kunnen richten. Hoewel we de juiste tool hebben, zegt hij, hebben we niet het juiste adres.