Фотосенсоры могут вернуть зрение слепой сетчатке

Новый исследовательский центр, созданный Калифорнийским университетом в Беркли и Национальной лабораторией им. Лоуренса в Беркли, ставит целью внедрение в клетки организма светочувствительных переключателей, которыми можно управлять, как пультом дистанционного управления телевизором.

Такие оптические переключатели могут запускать химическую реакцию, инициировать сокращение мышцы, активировать лекарство или стимулировать нервную клетку — всё по вспышке света.

Одна из главных целей Центра наномедицины UC Berkeley–LBNL — снабдить клетки сетчатки фотосенсорами, по сути заставив слепые нервные клетки видеть и восстановив светочувствительность у людей с дегенеративной слепотой, например, при макулодистрофии.

Исследование стартовало в этом месяце благодаря гранту в $6 млн на пять лет от Национальных институтов здоровья (NIH). Это часть наномедицинской инициативы в рамках программы NIH «Дорожная карта медицинских исследований».

Основой исследования стал прорыв в нанонауке, разработанный в UC Berkeley и LBNL за последние несколько лет. Он включает изменение ионного канала, обычно встречающегося в нервных клетках, так, чтобы канал активировал клетку при воздействии зелёного света и деактивировал — при ультрафиолетовом.

В 2004 году исследователи продемонстрировали, что могут включать и выключать культивируемые нервные клетки с помощью этого оптического переключателя. С тех пор, совместно с профессором наук о зрении и оптометрии Джоном Фланнери, они вводили фотосенсоры в глаза крыс с заболеванием, убивающим их палочки и колбочки, и восстановили некоторую светочувствительность оставшихся клеток сетчатки.

Теперь команда объединила усилия с 9 другими исследователями, чтобы усовершенствовать эту фундаментальную разработку и приблизить её к медицинскому применению.

Основное направление: восстановление реакции на свет у людей, потерявших фоторецепторные клетки, в частности, палочки и колбочки в самой чувствительной части сетчатки. Потеря фоторецепторов — основная причина слепоты в США. Каждый четвёртый человек старше 65 лет страдает от потери зрения из-за этого состояния, чаще всего — из-за макулодистрофии.

Химическая основа фотосенсора — молекула азобензола, которая меняет свою форму при освещении светом разного цвета. Исследователи создали канал SPARK (Synthetic Photoisomerizable Azobenzene-Regulated K channel), прикрепив соединение азобензола к модифицированному калиевому каналу (клапану в нервных клетках).

• При прикреплении один конец соединения застревает в поре канала и блокирует его, как пробка.
• При попадании УФ-света молекула изгибается и вытаскивает пробку, позволяя ионам течь через канал и активировать нервную клетку.
• Зелёный свет выпрямляет её и снова блокирует поток ионов.

В 2006 году в статье на обложке журнала Nature Chemical Biology исследователи впервые описали перепроектированный глутаматный рецептор, чувствительный к свету, который дополняет канал SPARK, поскольку свет одного цвета будет включать один и выключать другой.

«Теперь у нас есть фотохимические инструменты для переключателей "вкл" и "выкл" для нервных клеток, — говорит Ричард Крамер. — Это позволит нам имитировать естественную активность здоровой сетчатки, в которой есть включающиеся и выключающиеся клетки, реагирующие на свет противоположным образом».

Команда экспериментирует с другими молекулами, способными вызывать изменения формы, ищет улучшенные способы прикрепления таких молекул к белкам, разрабатывает средства для доставки фотосенсоров в клетки, создаёт искусственные гены для вставки в ДНК клетки и ищет способы доставки света в области тела, которые невозможно освещать напрямую.