Материал добавлен пользователем Minotavr

Ученые научились стимулировать мышечные сокращения у мышей с помощью оптогенетики

Чтобы вызвать нормальные мышечные сокращения у биоинженерных мышей, поверхность нервных клеток которых покрыта специальными светочувствительными белками, ученые Стэнфордского университета (Stanford University) использовали свет.

Новый подход позволяет ученым более точно воспроизводить порядок сокращения мышц, что делает его ценным исследовательским инструментом. Исследователи из Школы медицины (School of Medicine) и Школы инженерии (School of Engineering) Стэнфорда считают, что этот метод когда-нибудь сможет найти и практическое применение – от восстановления движений парализованных вследствие инсульта, черепно-мозговых травм или травм спинного мозга конечностей до борьбы со спастичностью, вызванной церебральным параличом.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Medicine, использовалась технология, известная как оптогенетика, которая заключается во введении специализированного гена, полученного из водорослей, в геном экспериментальных животных. Этот ген кодирует светочувствительный белок, локализованный на поверхности нервных клеток. Световые волны определенной длины вызывают у животных, наделенных такими белками, активность нервов, позволяя изменять модели импульсации по воле экспериментаторов.

«В центре внимания нашей группы находится восстановление оптимальных движений у людей с ограниченными физическими возможностями», - говорит один из двух старших авторов исследования Скотт Делп (Scott Delp), профессор кафедры биоинженерии Школы инженерии. «Используя оптическую стимуляцию, мы смогли восстановить естественный порядок сокращений волокон двигательных нервов – важный шаг вперед».

Оптогенетический метод был разработан в Стэнфордском университете другим старшим автором исследования Карлом Дейссеротом (Karl Deisseroth), доктором медицины и философии, адъюнкт-профессором кафедр биоинженерии и психиатрии и поведенческих наук, который использовал оптогенетику во многих экспериментах по изучению центральной нервной системы свободно передвигающихся животных. «Именно тогда этот метод был впервые применен и для изучения периферической нервной системы млекопитающих», - говорит Дейссерот.

Периферическая нервная система включает в себя длинные нервные волокна, выходящие из спинного мозга, которые иннервируют скелетную мускулатуру, осуществляющую произвольные движения. Скелетная мускулатура работает как совокупность двигательных (моторных) единиц, как называют их физиологи, каждая из которых состоит из отдельного нервного волокна и иннервируемых им мышечных волокон. Из разных точек двигательного нерва выходят отдельные волокна, контактирующие с волокнами скелетной мускулатуры, число которых в разных мышцах варьирует.

Двигательные единицы могут иметь разные размеры. Мелкие имеют отдельные тонкие нервные волокна, иннервирующие несколько мышечных волокон, в то время как более толстые нервные волокна более крупных моторных единиц могут иннервировать несколько тысяч мышечных волокон. В начале движения, чтобы «включить» толстое нервное волокно, необходима более сильная стимуляция, чем та, которая требуется для «включения» более тонких. Таким образом, более мелкие, так называемые медленные, мышечные волокна начинают сокращаться раньше, чем более крупные, быстро сокращающиеся.

Быстро сокращающиеся волокна необходимы для мощных атлетических движений, таких как бег, но они быстро устают, так как питаются из ограниченных запасов их первичного топлива – гликогена. Их более миниатюрные медленно сокращающие аналоги, медленно сжигающие свое топливо, имеют решающее значение для тонких движений, таких как шитье или рисование, а также для точно настраиваемых более мощных движений. Активность, основанная большей частью на мелких медленно сокращающихся волокнах, может продолжаться в течение длительных периодов, в то время как более склонные к уставанию быстро сокращающиеся волокна резервируются организмом для коротких вспышек мощной активности.

Предыдущие попытки восстановить потерянную двигательную функцию, используя программируемые последовательности электрических импульсов, поставляемых с помощью находящейся около нерва манжетки, дали возможность парализованным людям ходить не больше нескольких минут. К несчастью, крупные нервные волокна более чувствительны к электрической стимуляции, и поэтому мышцы сокращаются в неправильном порядке – сначала крупные, быстро сокращающиеся волокна, а затем мелкие, медленно сокращающиеся. Это приводит к судорожным движениям, вследствие чего быстро наступает усталость.

Ведущий автор исследования, опубликованного в Nature Medicine, доктор философии Майкл Льюэллин (Michael Llewellyn) из лаборатории Делпа создал «оптическую манжетку», покрытую крошечными, направленными внутрь светоизлучающими диодами, которую можно расположить около седалищного нерва биоинженерных животных. Светодиоды излучают голубой свет с достаточно высокой интенсивностью для глубокого проникновения в нерв, гарантируя, что все составляющие нерв волокна будут получать адекватную стимуляцию короткими импульсами света от светодиодов. Затем исследователи показали, что оптическая стимуляция приводит к правильному порядку сокращения мышечных волокон, включая сокращения, подобные тем, которые происходят в нормальных условиях.

Далее ученые сравнили оптически индуцированные сокращения с сокращениями, вызванными электрической манжеткой. Мелкие, медленно сокращающиеся мышечные волокна активировались при самых низких уровнях оптической стимуляции. При электрической же стимуляции первыми включались более крупные волокна. Более того, оптически вызванные сокращения сохранялись гораздо дольше, чем те, которые возникали в ответ на электрические импульсы.

«При оптической стимуляции мышцы сохраняют около одной трети от их начальной максимальной силы в течение 20 минут и остаются на этот уровне достаточно долго», - говорит Льюэллин. «Электрическая стимуляция полностью истощаются на тех же мышцах за четыре минуты». Соответственно, оптическая стимуляция гораздо легче инициировала сокращения в мышцах, преимущественно состоящих из медленно сокращающихся волокон, чем в мышцах, более богатых быстро сокращающимися волокнами. В противоположность этому, электрическая стимуляция индуцировала сокращения как в том, так и в другом типе мышц.

На сегодня этот подход, главным образом, является исследовательским инструментом, говорит Делп. Но в долгосрочной перспективе он может найти клиническое применение, если будет найден безопасный способ введения в геном человека генов, кодирующих светочувствительные белки, которые будут находиться на поверхности нервов. Так же как и электрические манжетки, позволяющие параплегикам ходить в течение несколько минут, оптические манжетки можно микрохирургическими методами имплантировать в нужные места вдоль пучков двигательных нервов, так чтобы контролируемые компьютерным алгоритмом световые импульсы могли индуцировать нервные импульсы в различных волокнах в разное время, имитируя естественную физиологию.

Делп и Дейссерот проводят подобные исследования и с другим белком, который в ответ на освещение вместо стимуляции импульсов тормозит нервные волокна, в надежде когда-нибудь научиться контролировать спастичность, развивающуюся, например, при церебральном параличе.

Источник: www.lifesciencestoday.ru