Optogenética

La optogenética es la combinación de métodos genéticos y ópticos para controlar eventos específicos en ciertas células de tejidos vivos, incluso de mamíferos y de otros animales, con la precisión temporal necesaria (en la escala temporal del milisegundo) para mantener el ritmo intacto de funcionamiento de los sistemas biológicos. La razón de este control tan rápido y preciso reside en el uso de la luz como agente inductor.^[2]​

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Un nematodo expresando el canal iónico sensible a la luz Mac. Mac es una bomba de protones aislada originalmente en el hongo Leptosphaeria maculans y expresada ahora en las células musculares de C. elegans, que se abren en respuesta a la luz verde y causan inhibición hiperpolarizante. Es de destacar la extensión a la que se somete la longitud del cuerpo del gusano cada vez que se expone a la luz verde, hipotéticamente causada por los efectos relajantes musculares de Mac.^[1]​

La optogenética abarca el desarrollo de proteínas sensibles a la luz (naturales o modificadas químicamente), las estrategias para introducir los genes que codifican dichas proteínas en las células o tejidos diana y, por último, la generación de sistemas de detección de los cambios de comportamiento producidos en dichas células y tejidos.^[2]​

Estas técnicas son especialmente útiles para su empleo en la investigación en neurociencias, donde no existían métodos de estudio que permitiesen el estudio in vivo de células individualizadas.

Fundamentos

 

Fig. 1: Ejemplo de la activación optogenética de la corteza prefrontal. La canalrodopsina-2 (ChR2) induce una actividad impulsada por luz azul de gran precisión temporal en neuronas corticales prefrontales prelímbicas de rata. a) Esquema in vitro (a la izquierda) que muestra la emisión de luz azul y el registro en células enteras de la actividad evocada por la luz de neuronas piramidales en las que se expresa un CaMKllα::ChR2-EYFP fluorescente (a la derecha), en un delgado corte de cerebro. b) Esquema in vivo (izquierda) que muestra la emisión de luz azul (473 nm) y el registro de una sola unidad. (Abajo a la izquierda) Corte coronal de cerebro que muestra la expresión de CaMKllα::ChR2-EYFP en la región prelímbica. La flecha celeste muestra la punta de la fibra óptica, la flecha negra muestra la punta del electrodo de registro (a la izquierda). Barra blanca, de 100 µm, para comparación. (Abajo a la derecha) Registro de luz in vivo en neurona cortical prefrontal de una rata transducida CaMKllα::ChR2-EYFP mostrando picos evocados por la emisión de pulsos de luz azul a 20 Hz (derecha). En detalle, Respuesta representativa de una sola unidad, evocada por luz.^[3]​

Los métodos optogenéticos se basan en la introducción de genes exógenos que codifican proteínas sensibles a la luz en ciertas células. Estas proteínas permiten modificar el comportamiento a nivel celular mediante la presencia o ausencia de luz. La idea clave es la fusión en una proteína de dominios que absorben la luz con dominios efectores, capaces de una función. Así se han creado variantes sensibles a la luz de proteínas efectoras fusionadas con proteínas fotosensibles.

El empleo de opsinas procedentes de microorganismos (bacterias) y su adaptación para su utilización como interruptores celulares ha permitido una avance importante de estas tecnologías. Estas opsinas combinan un dominio sensible a la luz y un canal iónico en la misma proteína.^[2]​ Así, son necesarios cuatro etapas en un estudio optogenético:^[4]​

• Desarrollo de proteínas fotosensibles, modulando el potencial de membrana y dirigiendo la señalización celular;
• Conducción de genes a la célula diana, mediante transfección, transducción viral o creación de líneas animales transgénicas;
• Iluminación controlada; y
• Análisis de los resultados obtenidos.

Materiales para aplicación óptica

Otro factor necesario es el materiales (por ejemplo, fuentes de luz de fibra óptica y semiconductoras integradas) para permitir que tipos específicos de células, incluso profundas en el cerebro, sean controladas en animales que se comportan libremente.

Con mucha frecuencia, este último se lleva a cabo ahora utilizando la tecnología de diodos de acoplamiento de fibra óptica introducidos en 2007^[5]​, pero para evitar el uso de electrodos implantados, los investigadores han ideado medios para inscribir una "ventana" de circonia que ha sido modificado para ser transparente e implantado en los cráneos de los ratones, para permitir que las ondas ópticas penetren más profundamente para estimular o inhibir las neuronas individuales.^[6]​

Para estimular áreas superficiales del cerebro como la corteza cerebral, se pueden montar fibras ópticas o LED directamente en el cráneo del animal. Se han utilizado fibras ópticas más profundamente implantadas para proporcionar luz a áreas más profundas del cerebro. Además de los enfoques de fibra óptica, se han desarrollado técnicas completamente inalámbricas utilizando una fuente de alimentación inalámbrica con LED portátiles para el estudio sin trabas de comportamientos complejos en organismos de libre comportamiento.

El progreso reciente con respecto al uso de LED orgánicos (OLED) como estímulos para la optogenética.^[7]​ La operación en modo pulsado permite la estimulación neural en una región de temperatura compatible. El control preciso y controlado de la estimulación de las neuronas opresivas microbianas se ha demostrado in vitro en una escala de tiempo del orden de un milisegundo. Además, los diodos emisores de luz orgánicos (OLED) son adecuados para la implantación en el cerebro por su espesor muy delgado, que puede ser inferior a 1 μm. ^[8]​

Historia

La posibilidad de utilizar la luz para controlar selectivamente modelos de actividad neuronal específica (potenciales de acción) dentro de los diferentes subtipos de células del cerebro fue anticipada en 1999 por Francis Crick en sus Conferencias Kuffler impartidas en la Universidad de California en San Diego.^[9]​ Un uso pionero de la luz para activar las neuronas fue llevado a cabo por Richard Fork^[10]​ y más tarde por Rafael Yuste,^[11]​ que demostraron la activación por láser de las neuronas en el tejido intacto, aunque no de una forma genéticamente orientada. El primer método genéticamente dirigido, que utilizaba la luz para controlar neuronas genéticamente sensibilizadas, fue publicado en enero de 2002 por Boris Zemelman (ahora en UT Austin) y Gero Miesenböck, que emplearon los fotorreceptores para la rodopsina de Drosophila para controlar la actividad neuronal en neuronas cultivadas de mamíferos.^[12]​ En 2003 Zemelman y Miesenböck desarrollaron un segundo método para la activación dependiente de la luz de neuronas individuales en las que los canales ionotrópicos TRPV1, TRPM8 y P2X2 fueron cerrados por ligandos enjaulados en respuesta a la luz.^[13]​ A partir de 2004, los grupos de Kramer e Isacoff desarrollaron fotointerruptores orgánicos o compuestos "enjaulados" que podrían interactuar con los canales de iones genéticamente introducidos.^[14]​^[15]​ Sin embargo, estos enfoques previos no se aplicaron fuera de los laboratorios originales, probablemente a causa de problemas técnicos en la entrega de los múltiples componentes requeridos.

En abril de 2005 Susana Lima y Miesenböck hicieron público el primer uso de la fotoestimulación genéticamente orientada de P2X2 para controlar el comportamiento de un animal.^[16]​ Demostraron que la fotoestimulación de grupos genéticamente circunscritos de neuronas, tales como los del sistema dopaminérgico, provocaban cambios de comportamiento característicos en moscas de la fruta. En agosto de 2005, el laboratorio de Karl Deisseroth en el Departamento de Bioingeniería de la Universidad de Stanford junto a los estudiantes graduados Edward Boyden y Feng Zhang (ambos ahora en el MIT) publicaron la primera demostración de un sistema optogenético de un solo componente, a partir de neuronas cultivadas de mamíferos^[17]​^[18]​ utilizando canalrodopsina-2, un canal catiónico de un solo componente activado por la luz procedente de algas unicelulares. La identidad molecular y principales propiedades de la canalrodopsino la hacían útil para estudios de optogenética como había publicado anteriormente (en noviembre de 2003) el grupo de Georg Nagel.^[19]​ Los grupos de Gottschalk y Nagel fueron los primeros en extender la usabilidad de la canalrodopsina-2 para controlar la actividad neuronal en animales intactos al mostrar que los patrones motores en el gusano redondo Caenorhabditis elegans podían ser evocados por la expresión dirigida y la estimulación de canalrodopsina-2 en los circuitos nerviosos seleccionados (publicado en diciembre de 2005).^[20]​

En 2010, Karl Deisseroth de la Universidad de Stanford fue premiado^[21]​ "por su trabajo pionero en el desarrollo de métodos optogenéticos para estudiar la función de las redes neuronales subyacentes al comportamiento".

En 2012, Gero Miesenböck fue premiado^[22]​ http://www.inbevbailletlatour.com/index.cfm?ee=3%7C336 InBev - Baillet Latour Premio Internacional de la Salud ] por sus "pioneros enfoques optogenéticos para manipular la actividad neuronal y para controlar el comportamiento de los animales."

En 2013, Ernst Bamberg, Ed Boyden, Karl Deisseroth, Peter Hegemann, Gero Miesenböck y Georg Nagel recibieron el Premio Mundial del Cerebro por "su invención y perfeccionamiento de la optogenética".^[23]​

Importancia

En 2010, la optogenética fue elegida como el Método del Año, entre todos los campos de la ciencia y la ingeniería, por la revista de investigación interdisciplinar "Nature Methods".^[24]​

Al mismo tiempo, la optogenética fue destacada en el artículo "Insights of the Decade"^[25]​ ("Los avances de la década"), publicado en la revista de investigación científica "Science". Estas revistas también hacen referencia a recientes publicaciones en vídeo de interés general y acceso público,^[26]​ y a textos sobre la cuestión.^[27]​

Referencias

1. Husson, S. J.; Liewald, J. F.; Schultheis, C.; Stirman, J. N.; Lu, H.; Gottschalk, A. (2012). "Microbial Light-Activatable Proton Pumps as Neuronal Inhibitors to Functionally Dissect Neuronal Networks in C. elegans". In Samuel, Aravinthan. PLoS ONE, 7 (7): e40937. doi:10.1371/journal.pone.0040937. PMC 3397962. PMID 22815873
2. Optogenética el 4 de enero de 2014 en Wayback Machine.. Medicina molecular FIBAO.
3. Baratta M.V., Nakamura S, Dobelis P., Pomrenze M.B., Dolzani S.D. & Cooper D.C. (2012) Optogenetic control of genetically-targeted pyramidal neuron activity in prefrontal cortex. Nature Preceedings, 2 de abril de 2012, doi=10.1038/npre.2012.7102.1 http://www.neuro-cloud.net/nature-precedings/baratta
4. La Optogenética. La Salud y la Medicina, 20 de diciembre de 2010
5. Aravanis, Alexander M; Wang, Li-Ping; Zhang, Feng; Meltzer, Leslie A; Mogri, Murtaza Z; Schneider, M Bret; Deisseroth, Karl (1 de septiembre de 2007). «An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology». Journal of Neural Engineering 4 (3): S143-S156. ISSN 1741-2560. doi:10.1088/1741-2560/4/3/S02. Consultado el 29 de junio de 2020. 
6. Damestani, Yasaman; Reynolds, Carissa L.; Szu, Jenny; Hsu, Mike S.; Kodera, Yasuhiro; Binder, Devin K.; Park, B. Hyle; Garay, Javier E. et al. (2013-11). «Transparent nanocrystalline yttria-stabilized-zirconia calvarium prosthesis». Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine (en inglés) 9 (8): 1135-1138. doi:10.1016/j.nano.2013.08.002. Consultado el 29 de junio de 2020.  Se sugiere usar |número-autores= (ayuda)
7. Matarèse, Bruno F. E.; Feyen, Paul L. C.; de Mello, John C.; Benfenati, Fabio (22 de octubre de 2019). «Sub-millisecond Control of Neuronal Firing by Organic Light-Emitting Diodes». Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 7: 278. PMID 31750295. doi:10.3389/fbioe.2019.00278. Consultado el 29 de junio de 2020. 
8. Matarèse, Bruno F. E.; Feyen, Paul L. C.; de Mello, John C.; Benfenati, Fabio (22 de octubre de 2019). «Sub-millisecond Control of Neuronal Firing by Organic Light-Emitting Diodes». Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 7: 278. PMID 31750295. doi:10.3389/fbioe.2019.00278. Consultado el 29 de junio de 2020. 
9. Crick, F. (diciembre de 1999). «The impact of molecular biology on neuroscience». Philosophical Transactions of the Royal Society B 354 (1392): 2021-25. PMC 1692710. PMID 10670022. doi:10.1098/rstb.1999.0541. 
10. Fork, R. L. (marzo de 1971). «Laser stimulation of nerve cells in Aplysia». Science 171 (3974): 907-8. Bibcode:1971Sci...171..907F. PMID 5541653. doi:10.1126/science.171.3974.907. 
11. Yuste,, R.; Nikolenko V; Poskanzer, K. E (2007). «Two-photon photostimulation and imaging of neural circuits». Nature Methods 4 (11): 943-950. PMID 17965719. doi:10.1038/nmeth1105. 
12. Zemelman, B. V.; Lee, G. A.; Ng, M.; Miesenböck, G. (2002). "Selective photostimulation of genetically chARGed neurons". Neuron 33 (1): 15–22. doi:10.1016/S0896-6273(01)00574-8. PMID 11779476
13. Zemelman, B. V.; Nesnas, N.; Lee, G.A.; Miesenböck, G. (2003). «Photochemical gating of heterologous ion channels: Remote control over genetically designated populations of neurons». PNAS 100: 1352-7. PMID 11779476. doi:10.1016/S0896-6273(01)00574-8. 
14. Banghart, M; Borges, K; Isacoff, E; Trauner, R. H. (21 de noviembre de 2004). . Nature Neuroscience 7 (12): 1381-1386. PMC 1447674. PMID 15558062. doi:10.1038/nn1356. Archivado desde el original el 8 de septiembre de 2010. 
15. Volgraf,, M.; Gorostiza, P.; Numano, R.; Kramer, R. H.; Isacoff, E. Y. (11 de diciembre de 2005). «Allosteric control of an ionotropic glutamate receptor with an optical switch». Nature Chemical Biology 2 (1): 47-52. PMC 1447676. PMID 16408092. doi:10.1038/nchembio756. 
16. Lima, S. Q.; Miesenböck, G. (2005). "Remote Control of Behavior through Genetically Targeted Photostimulation of Neurons". Cell 121 (1): 141–152. doi:10.1016/j.cell.2005.02.004. PMID 15820685
17. Boyden, E. S.; Zhang, F.; Bamberg, E.; Nagel, G.; Deisseroth, K. (2005). «Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity». Nat. Neurosci 8 (9): 1263-8. PMID 16116447. doi:10.1038/nn1525. 
18. Li,, X.; Gutierrez, D. V.; Hanson, M. G.; Han, J.; Mark, M. D.; Chiel, H.; Hegemann, P.; Landmesser, L. T. et al. (14 de octubre de 2005). «Fast noninvasive activation and inhibition of neural and network activity by vertebrate rhodopsin and green algae channelrhodopsin». Proc Natl Acad Sci U S A 102 (49): 17816-21. Bibcode:2005PNAS..10217816L. PMC 1292990. PMID 16306259. doi:10.1073/pnas.0509030102.  Se sugiere usar |número-autores= (ayuda)
19. Nagel,, G.; Szellas, T.; Huhn, W.; Kateriya, S.; Adeishvili, N.; Berthold, P.; Ollig, D.; Hegemann, P. et al. (25 de noviembre de 2003). «Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel». Proc Natl Acad Sci U S A 100 (24): 13940-5. Bibcode:2003PNAS..10013940N. PMC 283525. PMID 14615590. doi:10.1073/pnas.1936192100.  Se sugiere usar |número-autores= (ayuda)
20. Nagel, G.; Brauner, M.; Liewald, J. F.; Adeishvili, N.; Bamberg, E.; Gottschalk, A. (diciembre de 2005). «Light activation of channelrhodopsin-2 in excitable cells of Caenorhabditis elegans triggers rapid behavioral responses». Curr. Biol. 15 (24): 2279-84. PMID 16360690. doi:10.1016/j.cub.2005.11.032. 
21. HFSP Nakasone Award Premio HFSP Nakasone el 4 de enero de 2014 en Wayback Machine..
22. InBev-Baillet Latour International Health Prize Premio Internacional de Salud InBev-Baillet Latour.
23. . Archivado desde el original el 4 de octubre de 2013. Consultado el 3 de octubre de 2013. 
24. Method Of The Year 2010: MOTY Primer, MOTY Editorial. Nature Methods 8, 1 (2011) doi:10.1038/nmeth.f.321. 20 de diciembre de 2010., MOTY Commentary.
25. . "Insights of the Decade". Science, vol. 330, 1612, 17 de diciembre de 2010.
26. Method of the Year 2010: Optogenetics. Nature Video
27. Optogenetics: Controlling the Brain with Light. Scientific American, Karl Deisseroth, 20 de octubre de 2010.

Enlaces externos

• Optogenetics Resource Center, mantenido por Laboratorio de Karl Deisseroth.
• Synthetic Neurobiology Group, MIT, Laboratorio de Edward Boyden.
• Laboratorio Nurmikko
• ,
• OpenOptogenetics.org Wiki sobre optogenética, Champalimaud Institute.

•   Datos: Q781492
•   Multimedia: Optogenetics