Ta teden se v luči pravkar podeljene Nobelove nagrade za fiziologijo in medicino oglašamo s prispevkom o nagrajeni metodi: optogenetiki. O njej smo pred časom že pisali prav na tem spletišču, še prej pa tudi v eSiNAPSI, spletni reviji SiNAPSE, Slovenskega društva za nevroznanost. V nadaljevanju zato ponujamo zgolj jedrnate odgovore na najbolj pereča vprašanja (kaj je optogenetika in zakaj je tako pomembna, da so bili znanstveniki, ki so prispevali k njenemu razvoju, nagrajeni z Nobelovo nagrado), nato pa vas prijazno vabimo tudi k branju naših nekoliko starejših, a še vedno aktualnih tozadevnih prispevkov.

Kaj sploh je optogenetika?

Optogenetika je metoda, ki je omogočila prostorsko in časovno precizno krmiljenje živčnih celic v živih organizmih in preučevanje sprememb v delovanju teh celic na vedenje. Gre za kombinacijo genske manipulacije tarčnih celic, da pričnejo izražati svetlobno odzivne membranske ionske kanalčke (opsine), s svetlobno (“optično“) stimulacijo, ki spreminja prehajanje ionov skozi te kanalčke. Tako lahko s svetlobo ustrezne valovne dolžine spodbujamo ali zaviramo delovanje tarčnih celic.

Optogenetika ponuja lep zgled koristi vlaganja v temeljne raziskave, saj je izhodišče zanjo omogočilo odkritje mikrobnih opsinov (kjer sta ključni prispevek dala Georg Nagel in Peter Hegemann v svojem delu na Inštitutu Max Planck v Martinsriedu, Nemčija). Navidez obskurno znanstveno odkritje je uporabil tretji nagrajenec, Karl Deisseroth, ki je – med delom na Univerzi Stanford v ZDA – gen za mikrobni opsin vstavil v živčne celice in jih tako naredil neposredno odzivne na svetlobo. Inovativno povezovanje spoznanj različnih disciplin je botrovalo znanstvenemu preboju in Nobelovi nagradi.

Zakaj optogenetika predstavlja znanstveni preboj? Mar ne obstajajo tudi druge metode uravnavanja delovanja živčnih celic?

Drugi pristopi za uravnavanje delovanja živčnih celic vključujejo uporabo farmakoloških učinkovin in električno stimulacijo. Obe praviloma vplivata na večje število živčnih (in drugih, npr. glija) celic, zaradi česar nista najbolj natančni, hitrost učinka farmakoloških učinkovin pa običajno merimo v urah, lahko tudi v dnevih do tednih. Optogenetika omogoča krmiljenje posameznih živčnih celic s hitrostjo, ki je potrebna za vklop in izklop svetlobnega vira, torej je bistveno hitrejša in bolj natančna, obenem pa jo je mogoče uporabiti tudi na živih organizmih, ne le v celičnih oz. tkivnih kulturah, s čimer omogoča bolj poglobljeno razumevanje delovanja možganskih omrežij.

Nekaj primerov uporabe

Optogenetika in njene izpeljanke so v zadnjem desetletju izjemno razširjene metode v nevroznanosti. V 2025 je bilo po podatkih iz baze PubMed objavljenih več kot 1700 znanstvenih člankov o raziskavah, kjer je bil uporabljen optogenetski pristop. Pri tem so področja aplikacije te metode tako raziskave delovanja normalnega živčevja, kot tudi raziskave različnih bolezenskih stanj in iskanje prijemališč za zdravljenje.

Tonegawa in sodelavci (2014) so izvedli serijo poskusov na laboratorijskih miškah, kjer so jim »ustvarili« lažen spomin. Uporabili so transgenske miši, pri katerih je bilo izražanje opsina (ki je ob osvetlitvi s svetlobo določene valovne dolžine aktiviral tarčno živčno celico) odvisno od prisotnosti antibiotika doksiciklina. Če je bil doksicklin prisoten, se gen za opsin ni izražal, celica pa ni bila občutljiva na svetlobo in obratno.

Pri osrednjem poskusu so izrabili lastnost, da se pri pomnjenju različnih lokacij v hipokampusu običajno aktivirajo različne nevronske mreže. Miši so najprej za nekaj dni izpostavili okolju A in jih pustili, da so se nanj privadile (siv vzorec aktivacije nevronov na sliki spodaj). Ker so miši v tem času prejemale doksiciklin, se gen za opsin ni prepisoval in nevroni niso bili občutljivi na svetlobno draženje (odsotnost oranžnih celic v prvem vzorcu aktivacije nevronov). Nato so jih premestili v okolje B, kjer so bile izpostavljene občasnim bolečim dražljajem (kratkotrajna električna stimulacija tačk, ki ji je sledil značilen vedenjski odziv). V okolju B niso prejemale doksiciklina, zato so se v vzorcu aktivnosti nevronov, ki je predstavljala podstat spomina na to okolje, prepisovali tudi geni za opsin (oranžne celice v drugem vzorcu aktivacije). Ko so miši ponovno postavili v okolje A in s svetlobnim dražljajem izzvali vzorec aktivnosti nevronov, ki je nastal v okolju B (kombinacija sivih in oranžnih celic v tretjem vzorcu aktivnosti nevronov), so se živali vedle kot ob elektrošoku, čeprav ga v okolju A niso doživele.

Optogenetika si počasi utira pot tudi v klinično medicino: leta 2021 so bolniku z boleznijo, imenovano retinitis pigmentosa, ki povzroča napredujočo in nepovratno izgubo vida, zaradi katere je bil slep 40 let, z uporabo optogenetike delno povrnili vid. Po injekciji posebej prirejenega adenovirusa, ki je gen za opsin dostavil v celice očesne mrežnice, je bil s posebnimi očali, ki so zajemala spremembe svetlobe v okolici, jih pretvorila v ustrezno valovno dolžino in jo projicirala na mrežnico, sposoben prepoznati predmete, jih prešteti in se jih dotakniti. Optogenetsko zdravljenje še ni širše dostopno (med drugim tudi zaradi regulatornih preprek v EU) in ne predstavlja ozdravitve retinitis pigmentosa, vsekakor pa gre za preboj – ne zgolj za to bolezen, temveč morda tudi za druga stanja, ki okvarijo delovanje živčevja.

Povzeli: prof. dr. Mara Bresjanac, dr. med., in Lana Blinc, dr. med.