Medyczny Nobel 2026 za optogenetykę

Optogenetyka zmieniła sposób badania mózgu. Wcześniej naukowcy potrafili rejestrować aktywność neuronów i wskazywać jej związek z ruchem, emocjami czy procesami poznawczymi. Znacznie trudniej było wykazać, że aktywność określonego typu komórek rzeczywiście powoduje dane zachowanie. Potrzebne było narzędzie działające szybko, wybiórczo i z precyzją odpowiadającą tempu pracy neuronów.

Pomysł pojawił się wcześniej niż technologia, która pozwoliła go zrealizować. Francis Crick przewidywał, że do szybkiego włączania i wyłączania określonych neuronów idealnie nadawałoby się światło. Wówczas brzmiało to jak bardzo odległa możliwość. Brakowało przede wszystkim biologicznego elementu, który mógłby odebrać impuls świetlny i natychmiast zamienić go w sygnał elektryczny komórki.

Wszystko zaczęło się od glonu

Droga do takiego narzędzia zaczęła się nie od ludzkiego mózgu, lecz od jednokomórkowego glonu Chlamydomonas reinhardtii. Organizm ten potrafi wykryć kierunek, z którego pada światło, i płynąć w jego stronę. Peter Hegemann chciał zrozumieć, w jaki sposób reakcja ta może zachodzić tak szybko.

Pomiary elektryczne wykazały, że już około pół milisekundy po dotarciu światła do światłoczułej struktury glonu pojawia się odpowiedź elektryczna. Hegemann uznał, że mechanizm musi być znacznie prostszy niż wieloetapowa kaskada reakcji zachodząca na przykład w ludzkim oku. Na początku lat 90. wysunął hipotezę, że białko reagujące na światło może być zarazem kanałem jonowym.

Po latach poszukiwań jego zespół znalazł dwa geny kodujące białka podobne do znanych białek światłoczułych. Hegemann zwrócił się wtedy do Georga Nagela z Instytutu Biofizyki Maxa Plancka we Frankfurcie, specjalisty od elektrofizjologii kanałów jonowych.

Nagel wprowadził kopie genów Chlamydomonas do komórek jajowych żaby Xenopus laevis. Produkowane przez nie białka trafiały do błony komórkowej. Eksperyment potwierdził hipotezę Hegemanna: białka same tworzyły kanały, które otwierały się pod wpływem światła. Otrzymały nazwy kanałorodopsyna-1 i kanałorodopsyna-2, ChR1 i ChR2.

Szczególnie ważna dla dalszego rozwoju optogenetyki okazała się ChR2. Po oświetleniu kanał otwierał się niezwykle szybko, w doświadczeniach na komórkach jajowych żaby w ciągu około 0,2 milisekundy. Przez błonę zaczynały przepływać dodatnio naładowane jony, wywołując sygnał elektryczny. W 2003 roku Hegemann i Nagel opublikowali wyniki i wskazali, że kanałorodopsyna-2 może służyć do wywoływania impulsów elektrycznych w komórkach za pomocą światła.

Od kanału w glonie do neuronu

Kolejny krok wykonał Karl Deisseroth ze Stanford University, lekarz i neurobiolog przeszkolony w psychiatrii. Doświadczenia z pacjentami skłoniły go do poszukiwania metod pozwalających dokładniej badać pracę żywego mózgu. Obserwowanie aktywności poszczególnych obszarów nie wystarczało. Chodziło o możliwość ingerowania w pracę ściśle określonych neuronów i sprawdzania skutków takiej interwencji.

Deisseroth zwrócił się do Nagela o materiał genetyczny kodujący ChR2, a następnie wprowadził ten gen do hodowanych neuronów szczura. Komórki zaczęły wytwarzać kanałorodopsynę w swojej błonie. Kiedy zespół oświetlił je niebieskim światłem, neurony natychmiast odpowiadały sygnałem elektrycznym, który mógł być przekazywany kolejnym komórkom. Wyniki ukazały się w 2005 roku.

To był zasadniczy przełom. Kanałorodopsyna-2 umożliwiała wyzwalanie potencjałów czynnościowych z dokładnością liczoną w milisekundach. Co ważne, białko można było wytwarzać tylko w wybranych genetycznie populacjach komórek. Dzięki temu impuls świetlny mógł uruchamiać konkretny zestaw neuronów.

W 2006 roku połączenie metod genetycznych i optycznych nazwano optogenetyką. Rok później zespół Deisserotha zastosował tę technikę w mózgu żywych myszy. Gen ChR2 wprowadzono do określonej populacji neuronów kory ruchowej, a impulsy świetlne dostarczano za pomocą cienkiego światłowodu. Pobudzenie komórek wywoływało ruch wąsów zwierząt. W innym doświadczeniu optogenetyczna aktywacja określonych neuronów umożliwiała kontrolowane wybudzanie śpiących myszy.

Sama ChR2 była przede wszystkim narzędziem do pobudzania neuronów. Z czasem zestaw narzędzi optogenetycznych poszerzono o inne światłoczułe białka, aktywowane różnymi długościami fali, które umożliwiły również wyciszanie aktywności komórek.

Z korelacji do przyczyny

Właśnie ta możliwość jest sednem przełomu nagrodzonego Noblem. Naukowcy nie muszą ograniczać się do obserwacji, że podczas określonego zachowania grupa neuronów jest aktywna. Mogą ją celowo pobudzić lub zahamować i sprawdzić, czy zachowanie się pojawi, zniknie albo zmieni.

Naukowe uzasadnienie Nagrody Nobla opisuje tę zmianę jako przejście od biernego rejestrowania aktywności mózgu do jej aktywnego kontrolowania. Pozwoliło to badać zależności przyczynowe pomiędzy pracą określonych obwodów a poznaniem, emocjami i zachowaniem.

Dzięki optogenetyce udało się rozpoznać obwody związane między innymi z bólem, pragnieniem, pobieraniem pokarmu, układem nagrody, uwagą, zachowaniami społecznymi i rytmem dobowym. Metoda stała się również ważnym narzędziem w badaniach pamięci.

W jednym z najbardziej znanych doświadczeń oznaczono neurony aktywne u myszy podczas powstawania pamięci związanej z lękiem. Późniejsza optogenetyczna aktywacja tych samych komórek w bezpiecznym otoczeniu ponownie wywoływała reakcję strachu. Eksperyment pokazał, że pobudzenie określonego zespołu neuronów może wystarczyć do przywołania wspomnienia.

Od laboratorium do medycyny

Optogenetyka pozostaje przede wszystkim potężnym narzędziem badawczym. Dostarczyła nowych informacji o mechanizmach zaburzeń i chorób neurologicznych oraz psychiatrycznych, w tym depresji, zaburzeń lękowych, schizofrenii, choroby Alzheimera i choroby Parkinsona.

Pierwsze kroki w kierunku zastosowań terapeutycznych dotyczą między innymi wzroku. Prowadzone są badania kliniczne u osób, które utraciły widzenie w przebiegu zwyrodnienia barwnikowego siatkówki, retinitis pigmentosa. Choroba prowadzi do postępującej utraty fotoreceptorów, czyli pręcików i czopków.

Komitet Noblowski opisuje przypadek pacjenta, któremu do komórek siatkówki wprowadzono światłoczułe białko z rodziny kanałorodopsyn. Impulsy dostarczane za pomocą specjalnych gogli pobudzały zmodyfikowane komórki. U pacjenta uzyskano częściowy powrót funkcji wzrokowej. Był w stanie rozpoznawać przedmioty o dużym kontraście i sięgać po obiekty znajdujące się na stole. Nie oznacza to przywrócenia prawidłowego widzenia, ale pokazuje możliwość terapeutycznego wykorzystania mechanizmu, od którego zaczęła się optogenetyka.

W materiałach noblowskich wskazano także potencjalne zastosowanie optogenetyki w implantach ślimakowych. Obecne urządzenia pobudzają nerw słuchowy elektrycznie. W przyszłości użycie światła mogłoby umożliwić bardziej precyzyjną stymulację, choć na tym etapie jest to perspektywa badawcza, a nie ustalona metoda leczenia.

Karl Deisseroth jest profesorem bioinżynierii oraz psychiatrii i nauk behawioralnych na Stanford University i badaczem Howard Hughes Medical Institute. Peter Hegemann jest profesorem neuronauki na Uniwersytecie Humboldtów w Berlinie. Georg Nagel jest profesorem fizjologii molekularnej roślin na Uniwersytecie w Würzburgu.

Laureaci podzielą po równo nagrodę w wysokości 12 mln koron szwedzkich.

Źródło: https://www.nobelprize.org/