اپتوژنتیک | چیستی، کاربرد، فناوری، عملکرد، مزایا و محدودیت‌ها

تصور کنید بتوانید با نور، افکار و رفتار خود را کنترل کنید یا بتوانید با تاباندن نور به مغز، بیماری‌های عصبی را درمان کنید. این تصور، دور از دسترس نیست! اپتوژنتیک، یک فناوری جدید با ترکیب دو علم اپتیک و ژنتیک است که به بررسی و کنترل سلول‌ها با نور می‌پردازد. این علم با استفاده از ابزارهای ژنتیکی، سلول‌ها را به نور حساس می‌کند. اپتوژنتیک دریچه‌ای جدید به‌سوی درک بهتر مغز و درمان بیماری‌های عصبی گشوده است.

در این روش با استفاده از نور، بررسی و کنترل عملکرد سلول‌های بافت خاصی در موجودات زنده در یک مکان و زمان مشخص ممکن می‌شود. به دلیل ویژگی‌های خاص سلول‌های عصبی در پاسخ به نور، کاربرد این روش در مطالعات درباره فیزیولوژی و بیماری‌های مرتبط با مغز بیشتر از سایر سلول‌های دیگر بافت‌ها است.

در ادامه با مجله بیوزوم همراه باشید تا بیشتر با تکنیک اپتوژنتیک و کاربردهای آن آشنا شویم.

اپتوژنتیک چیست؟

اپتوژنتیک در بازه زمانی سال‌های 2002 تا 2009 توسعه یافت. اولین گام‌های این علم در سال 2002 توسط کارل دیسلر و پیتر Hegemann با شناسایی پروتئین‌های حساس به نور برداشته شد. در سال 2005، اریک Boyden و گروهش اولین موش‌های ترا ریخته را که سلول‌های عصبی آن‌ها به نور حساس بودند، ایجاد کردند. از آن زمان، اپتوژنتیک به‌سرعت در علوم اعصاب و سایر رشته‌های علمی مانند زیست‌شناسی، پزشکی و مهندسی توسعه یافته است.

محققان در هزاران آزمایشگاه در سراسر جهان متعاقباً شروع به استفاده از آن کردند و هزاران یافته علمی با این روش، عمدتاً در علوم اعصاب و همچنین در زمینه‌های دیگر، منتشرشده است. درواقع، اپتوژنتیک برای مطالعه نه‌تنها مغز، بلکه بافت قلب، سلول‌های بنیادی و رشد موجودات نیز مورداستفاده قرارگرفته است.

مطلب مرتبط: علوم اعصاب (نوروساینس)، علم ناشناخته‌ها

کاربرد اپتوژنتیک

اپتوژنتیک در طیف گسترده‌ای از علوم اعصاب در رفتار و فیزیولوژی کاربرد دارد و بینشی در مورد حرکت، مسیریابی، یادگیری، حافظه، متابولیسم، گرسنگی، تشنگی، تنفس، خواب، فشارخون، پاداش، انگیزه، ترس و پردازش حسی ارائه می‌دهند.

اکتشافات بالینی جدید  به مشخص شدن سیر فعالیت‌های سلولی مرتبط با شرایطی مانند صرع، بیماری پارکینسون، بیماری هانتینگتون، سکته مغزی، درد مزمن، اختلال وسواس فکری، اعتیاد به مواد مخدر، افسردگی، اختلال عملکرد اجتماعی و اضطراب کمک می‌کند. به‌عنوان‌مثال، این روش، این امکان را فراهم کرده که تعیین شود کدام سلول‌ها و اتصالات در سراسر مغز در تعریف و جمع‌آوری ویژگی‌های مختلف اضطراب، ازجمله تغییرات سرعت تنفس و اجتناب از خطر، در یک حالت رفتاری متمایز، مهم هستند.

ظهور اپتوژنتیک به‌عنوان یک ابزار تحقیقاتی همچنین به ایجاد انگیزه برای پروژه‌های تحقیقاتی مغز در مقیاس ملی،کمک کرد که در سال 2013 در ایالات متحده راه‌اندازی شد.

فناوری اپتوژنتیک

فناوری اپتوژنتیک در چندین مرحله کار می‌کند:

در قدم اول، سلول‌هایی که می‌خواهیم با نور کنترل و بررسی شوند، انتخاب خواهند شد. ژن‌های خاص موجودات تک‌سلولی (مانند جلبک‌ها و باکتری‌های خاص) جهت مطالعه رفتارهای خاص در حیوانات (معمولاً موش) سازگار می‌شوند. این ژن‌های منفرد که به‌عنوان اپسین‌های میکروبی شناخته می‌شوند، پروتئین‌هایی تولید کرده که به‌عنوان کانال‌ها یا پمپ‌های یونی حساس به نور عمل می‌کنند و با هدایت حرکت یون‌های باردار (مانند پروتون‌ها یا یون‌های کلرید) در سراسر غشا در پاسخ به نور، تولید جریان الکتریکی در سلول‌ها را فعال یا مهار می‌کنند. اپسین در اپتوژنتیک به پروتئین‌های حساس به نوری اطلاق می‌شود که از میکروب‌ها، جلبک‌ها و سایر موجودات زنده گرفته می‌شوند و به طور ژنتیکی در سلول‌های مورد نظر بیان می‌شوند. این پروتئین‌ها دروازه‌های یونی یا آنزیم‌های فعال شونده با نور هستند که می‌توانند فعالیت سلول را در پاسخ به نور با دقت زمانی و مکانی بالا کنترل کنند.

مطلب مرتبط: ژن چیست؟ – به زبان ساده

نقش اپسین در اپتوژنتیک

تحریک سلول‌ها

اپسین‌های کانالی، مانند کانالرودوپسین، در پاسخ به نور، کانال‌های یونی را در غشای سلولی باز می‌کنند و باعث ورود یون‌ها به سلول و دپولاریزه شدن آن می‌شوند. این امر می‌تواند منجر به تحریک سلول‌های عصبی، انقباض عضلات یا سایر فرآیندهای سلولی شود.

مطلب مرتبط: پتانسیل عمل ، زبان گفت‌وگوی سیستم عصبی + ویدئو

مهار سلول

اپسین‌های پمپ یونی، مانند آرکودوپسین، در پاسخ به نور، یون‌ها را از سلول خارج می‌کنند و باعث هیپرپولاریزه شدن آن می‌شوند. این امر می‌تواند منجر به مهار سلول‌های عصبی یا سایر سلول‌ها شود.

فعال کردن آنزیم‌ها

اپسین‌های متصل به آنزیم، مانند کریپتوکروم، در پاسخ به نور، آنزیم‌های خاصی را فعال می‌کنند که می‌توانند مسیرهای سیگنالینگ سلولی را تنظیم کنند.

مزایای استفاده از اپسین در اپتوژنتیک

• دقت بالا: اپسین‌ها می‌توانند با استفاده از نور با طول موج خاص فعال شوند، که امکان کنترل دقیق فعالیت سلول‌های خاص را در یک جمعیت سلولی فراهم می‌کند.
• سرعت بالا: اپسین‌ها می‌توانند در عرض میلی‌ثانیه در پاسخ به نور فعال شوند، که امکان مطالعه فرآیندهای سلولی سریع را فراهم می‌کند.
• غیرتهاجمی بودن: نور به عنوان یک ابزار محرک، غیرتهاجمی است و به بافت‌های اطراف آسیب نمی‌رساند.

قدم دوم

در قدم دوم، ژن کد کننده پروتئین حساس به نور به سلول هدف انتقال داده می‌شود. ابزارهای ژنتیکی پیشرفته برای هدف قرار دادن ژن‌های اپسین در سلول‌های خاص استفاده می‌شود. این هدف‌گیری، تضمین می‌کند که محصولات ژن‌ها (پروتئین‌های اپسین) فقط در انواع خاصی از سلول‌ها ساخته می‌شوند. برای مثال، سلول‌هایی در مغز که برای دریافت ژن اپسین هدف قرار نمی‌گیرند، پروتئین اپسین هم تولید نمی‌کنند. بنابراین، سلول‌های مغزی هدف‌گیری نشده به نور مستقیم پاسخ نمی‌دهند.

قدم سوم

سوم، اپتیک‌های پیشرفته برای هدف قرار دادن پالس‌های دقیق زمان‌بندی‌شده نور در مناطق یا سلول‌های بافتی خاص استفاده می‌شود. در حالت ایده آل، این پالس در حالی انجام می‌شود که آزمایش‌شونده رفتار موردعلاقه خود را انجام می‌دهد. پالس‌های نوری، ژن‌های اپسین را تحریک کرده و درنتیجه جریان الکتریکی در سلول‌های موردنظر تولید می‌شود. بسته به نوع اپسین مورداستفاده، جریان الکتریکی سلول‌های هدف را فعال یا مهار می‌کند؛ سپس محققان می‌توانند تعیین کنند که آیا انواع خاصی از فعالیت الکتریکی در سلول‌ها، رفتار موردعلاقه را ایجاد می‌کنند و اگر چنین است، چگونه؟

بسیاری از اپسین‌های میکروبی در طبیعت کشف‌شده و برخی از آن‌ها در آزمایشگاه، مهندسی ژنتیک شده‌اند. دانشمندان همچنین با موفقیت اپسین‌های جدید را سنتز کرده‌اند. اپسین‌های مهندسی و سنتز شده به‌گونه‌ای طراحی‌شده‌اند که سریعتر یا کندتر از همتایان طبیعی خود باشند و ممکن است خواص رسانایی یونی متفاوت یا پاسخگویی رنگی (طول موج نور) متفاوت داشته باشند.

مطلب مرتبط: علم ژنتیک

باکتریورودوپسین‌های طبیعی (که پروتون‌ها را از سلول خارج می‌کنند) و هالورودوپسین‌های طبیعی (که یون‌های کلرید را به داخل سلول منتقل می‌کنند) در سیستم‌های عصبی بازدارنده هستند. هر دوی این اپسین‌ها پمپ بوده، یعنی برای حرکت یون‌ها در برابر شیب‌های شیمیایی یا الکتریکی به انرژی نیاز دارند، و جریان‌های الکتریکی که تولید می‌کنند، شلیک نورون‌ها را سخت‌تر می‌کند. در مقابل، کانال رودوپسین‌های طبیعی همان‌طور که از نامشان پیداست، به یون‌های دارای بار مثبت اجازه می‌دهند آزادانه در منافذ اپسین جریان پیدا کنند و معمولاً تحریک‌کننده هستند.

ازآن‌جایی‌که کانال‌های بازدارنده اپسین سریع‌ترین و حساس‌ترین وسیله برای کنترل نور هستند، تلاش‌های زیادی برای یافتن یا ایجاد یک کانال مهارکننده رودوپسین انجام شد. یک پیشرفت کلیدی در سال 2012 رخ داد، زمانی که ساختار کریستالی با وضوح‌بالا از کانال رودوپسین به دست آمد. دانش این ساختار به دانشمندان اجازه داد تا منافذ کانال اپسین را برای ایجاد یک کانال رسانای مهاری کلرید مهندسی کنند. کنترل بیوشیمیایی (به‌جای کنترل الکتریکی) نیز امکان‌پذیر است. از سال 2009، اپتوژنتیک برای کنترل رویدادهای بیوشیمیایی خاص گسترش یافت، بنابراین دری برای کنترل اپتوژنتیک هر نوع سلولی باز شد.

انتقال نور معمولاً با یک رابط فیبر نوری انجام‌شده که می‌تواند انواع سلول‌های تطبیق‌پذیر را در ساختارهای عمیق مغز هدف قرار دهد. راهبردهای دیگر هدایت نور اجازه می‌دهد تا سلول‌های منفرد در مغز زنده و دست‌نخورده پستانداران هدف قرار گیرند. چنین روش‌هایی مبتنی بر اپتیک پیشرفته (به‌عنوان‌مثال، تکنیک‌های هولوگرافی و لیزرهای قدرتمند) هستند. بااین‌حال، نیاز به قدرت نور مرتبط باهدف قرار دادن تعداد زیادی از سلول‌های مشخص به‌صورت جداگانه، می‌تواند یک نقطه‌ضعف باشد.

متداول‌ترین روش‌ها برای کنترل اپتوژنتیک انواع سلول‌ها (به‌عنوان‌مثال، رابط‌های فیبر نوری) نسبتاً ساده و ارزان بوده و به‌طور گسترده همراه با روش‌های هدف‌گیری ژنتیکی اپسین استفاده‌شده که از مواد بیولوژیکی مانند ویروس‌ها برای فعال کردن تولید اپسین در جمعیت‌های هدف استفاده می‌کنند.

چگونه اپتوژنتیک برای نقشه‌برداری مغز استفاده می‌شود؟

برای نقشه‌برداری مغز موش روش‌های متعددی از اپتوژنتیک استفاده می‌شود.

اپتوژنتیک ابزاری قدرتمند برای نقشه‌برداری مغز است. این روش به دانشمندان اجازه می‌دهد تا فعالیت سلول‌های عصبی را در مقیاس‌های مختلف و با دقت بالا بررسی کنند.

روش‌های مختلفی برای استفاده از اپتوژنتیک در نقشه‌برداری مغز وجود دارد:

تحریک سلول‌های خاص

سلول‌های خاص در مغز با نور تحریک می‌شوند و فعالیت این سلول‌ها با روش‌های مختلفی مانند تصویربرداری fMRI یا الکتروانسفالوگرافی (EEG) ثبت می‌شود سپس نقشه فعالیت شبکه‌های عصبی مرتبط با عملکردهای خاص مغز ایجاد می‌شود.

خاموش کردن سلول‌های خاص

در این روش، سلول‌های خاص در مغز با نور خاموش می‌شوند و تأثیر خاموش شدن این سلول‌ها بر عملکردهای مغز بررسی می‌شود سپس مانند روش قبلی نقشه سلول‌های خاص در عملکردهای مغز ایجاد می‌شود.

ردیابی اتصالات عصبی

در این روش، سلول‌های عصبی با پروتئین‌های حساس به نور علامت‌گذاری می‌شوند و مسیر حرکت نور در شبکه‌های عصبی با تصویربرداری ردیابی می‌شود سپس نقشه اتصالات شبکه‌های عصبی در مغز ایجاد می‌شود.

مزایای استفاده از اپتوژنتیک در نقشه‌برداری مغز

• دقت بالا: اپتوژنتیک به دانشمندان اجازه می‌دهد تا فعالیت سلول‌های خاص را با دقت بالا بررسی کنند.
• اختصاصی‌تر بودن: اپتوژنتیک می‌تواند فقط سلول‌هایی را که پروتئین حساس به نور را بیان می‌کنند، بررسی کند.
• کنترل زمانی دقیق: می‌توان نور را با دقت زمانی بالا روشن و خاموش کرد تا فعالیت سلول‌ها را با دقت بیشتری بررسی کرد.

محدودیت‌های استفاده از اپتوژنتیک در نقشه‌برداری مغز

• هزینه بالا: تحقیقات و درمان‌های اپتوژنتیک هنوز پرهزینه هستند.
• مسائل اخلاقی: استفاده از اپتوژنتیک در انسان مسائل اخلاقی را به همراه دارد.
• کارایی در انسان: اثربخشی اپتوژنتیک در انسان هنوز در مراحل اولیه است.

باوجود این محدودیت‌ها، اپتوژنتیک ابزاری قدرتمند و امیدوارکننده برای نقشه‌برداری مغز و درک بهتر عملکرد مغز است.استفاده از تکنیک اپتوژنتیک مثل کوچک‌نمایی نقشه یک شهر برای دیدن بزرگراه‌های اصلی یا بزرگنمایی آن برای دیدن یک مکان مشخص است.

برای درک بهتر بیماری‌هایی که علت آن‌ها، اختلال ارتباط نورونی است، بررسی نورون‌های مرتبط انجام می‌شود. بدین منظور، یک نورون را با نور آبی تحریک و منتظر پاسخ نورون‌های دیگر می‌مانند.

اگر جریان خون در مغز مختل شده یا کاهش یابد، مواد حیاتی برای عملکرد صحیح مغز به‌درستی به آن نرسیده و سبب سکته و بروز اختلالات در بلندمدت می‌گردد.

مطلب مرتبط: هر آنچه که لازم است راجع به سکته ی مغزی بدانید

از نقشه‌برداری اپتوژنتیکی برای بررسی عملکرد مغز استفاده‌های بسیاری می‌شود. با پیشرفت تکنیک‌های اپتوژنتیک و اپسین‌ها، برای تحریک مغز امکان کنترل بیشتر وجود دارد، به‌طوری‌که ممکن است در آینده بتوان از چند پروتئین برای بررسی همزمان چند نوع نورون استفاده کرد.

دانستیم که هر اپسین به یک نوع خاص از نور پاسخ می‌دهد، بنابراین در اپتوژنتیک می‌توان از نورهای مختلف برای کنترل انواع نورون استفاده کرد. همچنین در حضور نور خاص، برخی اپسین‌ها باعث توقف فعالیت نورون می‌شوند. به‌عنوان‌مثال، می‌توان با دو نوع سیگنال متفاوت، دو نورون‌ را به‌صورت جداگانه به واکنش واداشت. نورون اول با نور آبی و نورون دوم با نور قرمز وادار به واکنش می‌گردند. با استفاده از این سیگنال‌ها، سؤال‌های زیر درباره نورون‌ها مطرح می‌شود:

• اگر نورون با نور قرمز برای اولین بار واکنش دهد، چه اتفاقی می‌افتد؟
• اگر نورون با نور آبی برای اولین بار واکنش دهد، چه اتفاقی می‌افتد؟
• اگر آن‌ها همزمان با یکدیگر فعالیت کنند، چه اتفاقی می‌افتد؟

پاسخ این سؤالات، درک این موضوع که چگونه نورون‌های مختلف با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند، تسهیل می‌کند.

تحریک اپتوژنتیکی دقیق‌تر و اختصاصی‌تر از تحریک الکتریکی

تحریک الکتریکی می‌تواند گروهی از سلول‌ها را در یک منطقه تحریک کند، درحالی‌که اپتوژنتیک می‌تواند سلول‌های خاصی را با دقت بالا تحریک کند. اپتوژنتیک به دانشمندان و پزشکان اجازه می‌دهد تا سلول‌های خاصی را که در عملکردهای خاص مغز نقش دارند، تحریک یا مهار کنند. تحریک الکتریکی می‌تواند انواع مختلف سلول‌ها را تحریک کند، درحالی‌که اپتوژنتیک می‌تواند فقط سلول‌هایی را که پروتئین حساس به نور را بیان می‌کنند، تحریک کند. مسیرهای مغز درست مانند خیابان‌های یک شهر هستند. برای دانستن اینکه چگونه یک نقطه‌به‌نقطه دیگری در شهر متصل است، باید به تمام جاده‌ها نگریست و راه موردنظر را پیدا کرد. اما معمولاً مسیرهای زیادی برای رفتن از یک نقطه به یک نقطه دیگر وجود دارد، بنابراین چگونه باید مسیر موردنظر اصلی که پرترددترین آن‌هاست را از بین همه راه‌ها پیدا کرد؟ برای یافتن این مسیر، باید به خودروهایی که در جاده از نقاط مدنظر ما گذر می‌کنند، توجه کرد. این نقشه کاربردی کمک به درک این موضوع می‌کند که چگونه خیابان‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند.

در مغز، نورون‌ها را به جاده‌ها و سیگنال‌هایی که از یک نورون به نورون دیگر می‌روند را می‌توان به اتومبیل‌ها تشبیه کرد. معمولاً، مغز بسیار فعال بوده و در همه مسیرها تعداد زیادی اتومبیل وجود دارد. تقریباً در همه قسمت‌های نقشه مغز، اتومبیل‌ها حرکت خود را در زمان‌های مختلف آغاز کرده و به پایان می‌رسانند. همین فعالیت بسيار زيادی که در مغز وجود دارد، درک الگوها و فهم ارتباط آن‌ها با یکدیگر برای تشخیص الگوها را دشوار کرده است، ازاین‌رو توانایی در کنترل زمان و مکان شروع سفر کمک‌کننده خواهد بود.

به‌عنوان‌مثال در هر جاده شهری، تعدادی اتومبیل وجود دارد که برای حرکت در مسیر منتظر سیگنال و پیام هستند. با استفاده از روش تحریک الکتریکی، شروع حرکت قابل‌کنترل است. درواقع در تحریک الکتریکی انتخاب مکان تحریک، یک انتخاب کلی است، اما در تحریک اپتوژنتیکی دقیقاً مشخص می‌شود که کدام اتومبیل باید در کدام مسیر حرکت کرده و زمان شروع حرکت نیز مشخص است. همچنین امکان انتخاب گروهی از اتومبیل‌ها با موقعیت مکانی مشخص وجود دارد مثلاً می‌توان تعیین کرد که تمام خودروها در یک محله‌ی خاص قرار گیرند. همچنین امکان انتخاب نوع ماشین هم وجود دارد، مثلاً در یک مسیر مشخص فقط کامیون‌ها اجازه عبور دارند.

اکتشافات اخیر توسط تکنیک اپتوژنتیک

استفاده دانشمندان از اپتوژنتیک از سال ۲۰۰۵ آغازشده است. بررسی تعاملات مغز با این تکنیک صورت گرفته و پاسخ بسیاری از سؤالات داده شده است، مثل این سؤالات که، جایگاه احساس ترس در مغز کجاست؟ خاطرات چگونه ذخیره می‌شوند؟

همچنین از روش اپتوژنتیک برای توضیح چگونگی بروز سکته و تغییرات مغزی استفاده شده، به‌طوری‌که تغییرات ناشی از عدم خون‌رسانی و اکسیژن به مغز در هر قسمت موردبررسی قرارگرفته است. درصورتی‌که برای مدت طولانی اکسیژن به نورون‌ها نرسد، نورون‌ها از بین رفته و قطعاً به نورون‌هایی که با آن نورون مرده در ارتباط بودند نیز آسیب وارد می‌شود.

در این مطالعه بررسی می‌شود که چگونه یک سکته‌ی مغزی کوچک، بسیاری از بخش‌های مغز را تحت تأثیر قرار می‌دهد. برای این مطالعه، نقشه‌های مغز بین حیوانات دچار سکته مغزی و بدون سکته مقایسه شد و تغییر نقشه‌ها در طول زمان باهم مقایسه گردید. حدود یک هفته پس از سکته مغزی، در کل فعالیت مغز بسیار پایین بوده و همان‌طور که انتظار می‌رفت در نواحی دور از سکته مغزی هم فعالیت کم شده بود. هشت هفته پس از سکته مغزی، در کل فعالیت مغز بالاتر رفته، اما به حالت طبیعی بازنگشته بود.

با بررسی داده‌ها، این نتیجه حاصل شد که حتی یک سکته کوچک مغزی می‌تواند تأثیر بزرگی بر کل نواحی مغز داشته باشد. درک این موضوع که پس از سکته مغزی برای مغز چه اتفاقی رخ می‌دهد، می‌تواند به محققان کمک کند تا درمان‌های بهتری برای بیماران سکته مغزی ارائه کنند. این مثال فقط یک نمونه از کاربرد اپتوژنتیک برای مطالعه و پاسخ به سؤالات در مورد مغز است.

جمع‌بندی

همان‌طور که اشاره شد، اپتوژنتیک یک روش آزمایشگاهی و تلفیقی از اپتیک و ژنتیک است. در این روش با دستکاری ژنتیکی بیان پروتئین‌های اپسین که به نور حساس هستند در سلول‌های موردنظر انجام‌شده و از نور برای فعال یا مهار کردن سلول‌های آن بافت خاص و درنتیجه کنترل رفتارهای جاندار موردمطالعه استفاده می‌شود. به‌وسیله این روش می‌توان به پاسخ سؤالات درباره رفتارها و احساسات، بیماری‌ها و انتخاب روش درمان مناسب دست‌یافت. به‌عنوان‌مثال با تحریک نورون‌های مغزی می‌توان ارتباط آن‌ها را باهم در شرایط عادی و بیماری مقایسه کرد و با اطلاعات به‌دست‌آمده درمان‌های جدید را ابداع کرد.