Promieniowanie laserowe już od dziesiątek lat wykorzystywane jest w medycynie. Stanowi zarówno sprawne narzędzie chirurgiczne jak i niezwykle precyzyjny instrument diagnostyczny. Najnowsze badania z dziedziny optogenetyki stwarzają nowe perspektywy zastosowania tej charakterystycznej fali elektromagnetycznej.
Optrode – osiągnięcie współczesnej optogenetyki
Jak podaje serwis LiveSience, europejscy naukowcy odkryli nowe narzędzie mające zastosowanie w analizie komórek nerwowych mózgu. Zaimplementowane urządzenie potrafi równocześnie wstrzykiwać płyn zawierający preparowane geny do każdej z komórek (które pod wpływem światła lasera zostają pobudzone), a następnie rejestrować ich aktywność elektryczną.
Badacze z Laboratorium Biomedycznej Mikrotechnologii Uniwersytetu w Freiburgu w Niemczech po raz pierwszy zaprezentowali możliwości najnowszego przyrządu, zwanego optrode podczas eksperymentów dokonywanych na laboratoryjnych myszach. Impulsy falowe emitowane przez laser pozwoliły im w kontrolowany sposób ingerować w aktywność komórek nerwowych mózgów badanych gryzoni.
Czym tak właściwie jest Optrode? Jest to urządzenie na bazie czujnika optycznego, pozwalające dokonać optycznego pomiaru określonej substancji przy pomocy przetworników chemicznych. Optrode wymaga trzech elementów do prawidłowego działania: substancji chemicznej, która przereaguje do analitu, polimeru mającego na celu unieruchomić przetwornik chemiczny oraz dodatkowego oprzyrządowania (światłowody, źródła światła, detektora i innych urządzeń elektronicznych). Zawiera ono również polimerową matrycę zakończoną światłowodami. Narzędzie to może wykorzystywać różne systemy pomiaru optycznego takie jak: odbicie, absorbcja, zanikanie fali, luminescencja.
Matryca optrode i światłowody z dedykowanymi złączami. (A) Światło wyłączone
(B) Światło włączone; Końcówki macierzy: (C) Światło wyłączone (D) Światło włączone;
(E) Optyczna symulacja i elektryczna odczyt aktywności mózgu przy zastosowaniu optrode na swobodnie poruszającym się zwierzęciu.
Interdyscyplinarny rozwój nowej dziedziny
Jednym z głównych wykonawców projektu jest Thomas Stieglitz z Laboratorium Biomedycznej Mikrotechnologii z Uniwersytetu we Freiburgu w Niemczech. Grupa badaczy pod jego kierownictwem otworzyła kolejne możliwości w nowej dziedzinie, jaką jest optogenetyka. W pierwszej kolejności wymagało to wprowadzenia genów uzyskanych z różnych typów glonów do innego organizmu, np. myszy. Proces ten sprawił, iż komórki badanego organizmu stały się wrażliwe na światło lasera. Zespół użył metody zwanej transfekcją wewnętrzną materiały genetycznego z jednego organizmu do drugiego. „Optrode” monitoruje zmodyfikowane komórki ze względu na ich aktywność elektryczną, a także wskazuje dokładne miejsce działania laserem. Naukowcy uzyskali również możliwość kontrolowanego wpływu na działanie komórek nerwowych poprzez pulsacyjne naświetlanie ich różnymi kolorami światła z emisji wymuszonej.
Badacze jednoznacznie stwierdzili, iż taki produkt jest pierwszym tego typu urządzeniem służącym rejestracji aktywności pojedynczego neuronu, poprzez który zachodzi transmisja fali świetlnej.
Tak poważne przedsięwzięcie wymagało współpracy z wieloma instytucjami naukowymi. Naukowcy i inżynierowie z Freiburgu wraz z Instytutem Badań Biomedycznych w Bazylei starali się razem sprostać wielu zagadkowym kwestiom. Badacze potrzebowali szczegółowej wiedzy z dziedziny inżynierii genetycznej, aby zaprojektować swego rodzaju „kapsuły” zwane też wektorami do przeniesienia materiału genetycznego komórek nerwowych. To właśnie stanowiło główne zadanie dla biologów. Ponadto inżynierowie z Instytutu Badań Biomedycznych proszeni byli o udoskonalenie narzędzi do optycznej stymulacji zmodyfikowanych komórek oraz rejestratorów ich aktywności elektrycznej. Wyzwaniem dla całego zespołu było jednak stworzenie kompletnego urządzenia, łączącego pomiar zarówno elektrycznej jak i optycznej aktywności neuronów.
Innowacyjność produktu
Niemiecki wykonawca projektu starał się zadbać o wszystkie aspekty techniczne oraz funkcjonalne urządzenia mającego w przyszłości służyć bezinwazyjnym badaniom ośrodkowego układu nerwowego. Przyrząd ten, w odróżnieniu od innych narzędzi stosowanych w optogenetyce, łączy wszystkie wymagane komponenty w jeden, samowystarczalny instrument badawczy. Oznacza to, że wszczepienie sondy do ciała zwierzęcia laboratoryjnego wymaga jedynie jednego zabiegu, a nie tak jak do tych czas serii skomplikowanych operacji.
Materiał, który został użyty do budowy sondy również posiada liczne zalety. Został on wykonany niemal w całości z polimerów, związków bardziej elastycznych w odróżnieniu od krzemu, co znacznie wpływa na możliwości śledzenia zmian zachodzących w mózgu. Wcześniejsze badania potwierdziły także bezpieczeństwo stosowania polimerów w implantacjach wewnątrz układów nerwowych.
David Lyon, asystent profesora anatomii i neurobiologii z Uniwersytetu Kalifornia, Szkoły Medycyny w Irvine, zwraca uwagę na nowatorskie rozwiązanie zastosowane w urządzeniu. Szczególnym osiągnięciem można nazwać mechanizm dostarczania płynu z wektorem przez chroniczny implant. Płynny kanał umożliwia bardzo precyzyjne umieszczenie próbek z pobranymi komórkami w pożądanej części mózgu.
Urządzenie zostało również zoptymalizowane pod względem wielkości. Jego czubek ma zaledwie ćwierć milimetra szerokości i 0.1 milimetra grubości. Pozwala to sprawnie ingerować w struktury o niewielkich rozmiarach, czego przykładem mogę być właśnie mózgi gryzoni.
Pomimo tych licznych zalet narzędzie to posiada jedną podstawową wadę. Implant wymaga wszczepiania na stosunkowo długi okres, aby działać efektywnie. Nie jestem, zatem obecnie możliwe zastosowanie tego innowacyjnego rozwiązania w ciele ludzkim. Nikt, bowiem nie chciałby żyć z implantem w mózgu przez kilka tygodni. Istnieje również ryzyko, iż mógłby on trwale wpłynąć na aktywność mózgu poprzez długotrwała obecność. Rozwiązanie tego problemu nie jest jednak dalekie. Jednym z głównych celi zespołu badawczego z Freiberga i Bazylei jest utworzenie oraz wstrzyknięcie kanału, który ulegnie stopniowemu rozpuszczeniu, w konsekwencji czego rozmiar sondy uległby znacznej redukcji po pewnym czasie.
Świetlana przyszłość lasera w optogenetyce
Badacze z Laboratorium Biomedycznej Mikrotechnologii z Uniwersytetu we Freiburgu otwarcie mówią, iż nowa technologia, której są twórcami, posiada ogromny potencjał, aby zrewolucjonizować dziedziny medycyny (tj. neurobiologia czy protetyka nerwowa).
Optrode – współczesny wynalazek optogenetyki pozwoli odkrywać nieznane dotąd zachowania komórek nerwowych i przyczyni się do lepszego rozumienia działania sieci neuronowych oraz reakcji mózgu. Ta fundamentalna wiedza powoli zgłębić funkcjonalność najważniejszej części ośrodkowego układy nerwowego oraz polepszy diagnozę występowania niepokojących zaburzeń. Transfekcji ulegną komórki, które wykazywać będą nieprawidłowości w swej pracy a następnie zostanie utworzony model zmienności zachowania się neuronu podczas optycznej stymulacji, co doprowadzi do poznania podstawowych mechanizmów jego działania.
Jednym z szerokich obszarów zastosowań tego urządzenia jest dostarczenie informacji, pomagających zrozumieć takie stany jak: lęk, depresja czy silna motywacja. Grupa badawcza dąży do tego, aby zastosować tę technologię w sieci komórek hipokampu, części mózgu odpowiedzialnej za pamięć oraz wewnątrz jąder komórek nerwowych, co pozwoli odkryć tajemnicę istoty szarej. Tego typu badania już wkrótce zostaną przeprowadzone na zwierzętach.
Naukowcy w niedalekiej przyszłości planują również pracę nad udoskonaleniem integracji połączeń źródła światła, elektrod i płynu w celu polepszenia właściwości przyrządu, co pozwoliłoby przeprowadzać badania na zwierzętach żyjących na wolności. Kto wie czy dalszy rozwój optogenetyki nie sprawi, iż optrode znajdzie również zastosowanie w diagnozie i leczeniu schorzeń centralnego układu nerwowego w organizmie ludzkim.
Źródła:
1. http://www.livescience.com/28298-laser-helps-measure-brain-activity.html
2. http://english.siat.cas.cn/rh/rps/201111/t20111110_78389.html