Cercetătorii au dezvoltat o modalitate neinvazivă de a folosi optogenetica bioluminiscentă pentru a activa părți ale creierului

Metodele de neuromodulare sunt esențiale pentru înțelegerea funcțiilor neuronale și a circuitelor cerebrale care stau la baza percepției și acțiunilor motorii. Tehnici tradiționale precum microstimularea intracorticală (ICMS) au oferit informații valoroase, dar au limitări semnificative, cum ar fi lipsa selectivității celulare și capacitatea de a induce doar efecte excitatorii.
Optogenetica a revoluționat domeniul, permițând controlul precis al neuronilor specifici prin lumină. Totuși, necesitatea implantării unor surse externe de lumină implică proceduri invazive. Pe de altă parte, chemogenetica oferă o abordare mai puțin invazivă, dar cu o precizie temporală redusă.

O soluție promițătoare vine din combinarea celor două: BioLuminescent-OptoGenetica (BL-OG). Această metodă utilizează bioluminescența generată intern pentru a activa opsinele, fără a necesita surse externe de lumină. Molecula centrală a acestei tehnici este LMO7, care combină o luciferază (enzimă bioluminescentă) cu o opsină sensibilă la lumină.

Cercetătorii de la University of Rochester Medical Center au investigat modul în care LMO7 răspunde la diferite concentrații și rate de administrare ale substratului său, h-Coelenterazina (h-CTZ). Scopul a fost de a înțelege dinamica temporală și funcția doză-răspuns a bioluminescenței generate, ca proxy pentru activitatea neuronală indusă de BL-OG.

Subiecți au fost șoareci C57/BL6 modificați genetic pentru a exprima LMO7 în cortexul somatosenzorial primar. Administrarea h-CTZs-a realizat prin injectare sistemică în vena cozii, la diferite concentrații și rate de injectare. Bioluminescența a fost monitorizată printr-un craniu subțiat, folosind o cameră EMCCD, permițând o abordare minim invazivă.

Rezultate cheie

• Relația liniară între doză și bioluminescență: Intensitatea bioluminescenței a crescut proporțional cu concentrația de h-CTZ, demonstrând un control predictibil al efectelor BL-OG prin ajustarea dozei de substrat.
• Debut rapid al bioluminescenței: Indiferent de concentrație, bioluminescența a apărut în aproximativ 10-18 secunde după injectare, indicând o activare neuronală promptă.
• Influența ratei de injectare: Deși intensitatea maximă a bioluminescenței nu a fost afectată de rata de injectare, timpul de debut și atingerea vârfului de activitate au fost întârziate la rate mai mici de administrare.
• Durata efectului modulată de doză: Timpul de decădere a bioluminescenței a crescut odată cu concentrația de h-CTZ, permițând ajustarea duratei efectelor neuromodulatoare prin controlul dozei.
• Specificitatea efectului: Experimentele de control au confirmat că bioluminescența observată a fost specifică expresiei LMO7 și nu a fost rezultatul auto-bioluminescenței h-CTZ sau al zgomotului camerei.

Concluzii și implicații

Studiul demonstrează că BL-OG, prin utilizarea moleculei LMO7 și a administrării sistemice de h-CTZ, oferă o metodă fiabilă și predictibilă de neuromodulare. Această abordare combină avantajele optogeneticii - precizie spațială și temporală ridicată - cu beneficiile chemogeneticii - invazivitate minimă.

Posibilitatea de a controla atât intensitatea, cât și durata efectelor neuromodulatoare prin ajustarea parametrilor de injectare a luciferinei deschide noi direcții în cercetarea neuroștiințifică și în dezvoltarea terapiilor pentru afecțiuni neurologice. În plus, capacitatea de a monitoriza în timp real efectele neuromodulării prin bioluminescență, fără a necesita implanturi craniene permanente, reprezintă un avantaj semnificativ pentru studiile in vivo.

Perspective viitoare

Următorii pași includ investigarea efectelor BL-OG la nivel de unitate celulară și în condiții comportamentale, precum și explorarea aplicabilității acestei metode la alte tipuri de celule și regiuni cerebrale. De asemenea, adaptarea tehnicii pentru modele animale mai mari și, eventual, pentru aplicații clinice umane ar putea revoluționa modul în care abordăm neuromodularea terapeutică.

sursa: Science Daily