אופטוגנטיקה: השתלת רכיבי מוח בבני אדם

אופטוגנטיקה: השתלת רכיבי מוח בבני אדם  

לפני חמש שנים מדענים מסטנפורד גילו שאם מזריקים לנוירונים גן פוטו-רגיש מאצות, ניתן להדליק ולכבות אותו בעזרת האור כאילו הוא מתג לכל דבר. תגלית מרעישה זו סחפה מאות מעבדות למדעי המוח (כולל אצלנו בארץ) אל התחום הצעיר של האופטוגנטיקה. היום חוקרים בכל העולם משתמשים במתגי אור גנטיים אלה כדי לשלוט בנוירונים מסוימים בעכברים, כאשר הם מתבוננים בתפקיד המתגים בבניית מערך של תפקודים מוחיים ובהתפתחות מחלות, כולל במהלך הזיכרון, ההתמכרות, הדיכאון, מחלת הפרקינסון, פציעות בעמוד השדרה ועוד. המחקר בתחום מתקדם ולאחרונה עלה לכותרות.

והנה השבוע הפנטגון יצא ברעיון חדש שקשור במתגי אור אלה. הפנטגון נוהג לצאת ברעיונות מקוריים שנראים על סף המדע בדיוני. מאז מלחמת עיראק והלוחמה באפגניסטן והחיילים הפצועים האמריקאים, הפנטגון מחפש מזור לחיילים. הפעם הפנטגון באמת הלך רחוק עם שאיפותיו. המחשבה היא כמובן צבאית, אולם המצאות רבות שהחלו כרעיונות צבאיים מצאו את מקומן וסייעו רבות במגזר הציבורי. רשתות החדשות בארה”ב מדווחות שבערך 10 עד 20 אחוזים מהלוחמים ששבים הביתה מעיראק ואפגניסטן סובלים מפגיעת ראש טראומטית. פגיעה זו פוגעת סטטיסטית ב-1.7 מיליון אמריקאים כל שנה. הפנטגון לכן החליט לצאת ביוזמה מהפכנית כדי לטפל במצב: השתלת רכיב מוח, צ’יפ מהונדס גנטית שפועל על עקרון האופטוגנטיקה. זוהי יוזמה שאותה כינה חוקר אחד כ-“החלפת חלקים” עבור החומר האפור. וזה בדיוק כמו שנכנסים למוסך ומחליפים חלפים… אלא שכאן מדובר בהחלפת חלפים מדויקת שפוגעת בדיוק במוקד הפגוע.

כאשר משהו קורה למוח עכשיו, לקהילייה הרפואית יש מעט מאוד פתרונות רפואיים להציע לחולה. זו הסיבה מדוע סוכנות הצבא המדעית של הפנטגון DARPA עומדת מאחורי הפרויקט שקרוי לא אחרת מאשר REPAIR – ראשי תיבות שלReorganization and Plasticity to Accelerate Injury Recovery. השבוע הסוכנות הכריזה על מימון של 14.9 מיליון דולר לארבעה מוסדות, בראשם האוניברסיטאות המובילות סטנפורד ובראון, שיעבדו בשיתוף פעולה על פרויקט הצ’יפ המוחי: רכיב לטיפול בפגיעת ראש טראומטית שיושתל במוח. בכללותו הפרויקט יכלול עשרה פרופסורים מובילים ואת קבוצות המחקר שלהם. הם יעבדו במדעי המוח, פסיכיאטריה, בניית מודלים מוחיים ואפילו במוליכים למחצה.

כדי לפתח את הרכיב החדש שיטפל בפגיעת הראש הטראומטית החוקרים פונים לאופטוגנטיקה כדי לעורר פעילות עצבית. הרכיבים המושתלים ישתמשו כך באור ולא בחשמל כדי להפעיל ולכבות תאי מוח. הרכיבים המושתלים של DARPA ישתמשו באלקטרודות או סיבים אופטיים על פני השטח המתוקן של המוח כדי לנטר את הפעילות החשמלית של המוח ואז לשלוח פולסי אור שיעוררו את המוח כנדרש כדי לסייע לו לתפקד נורמאלית, למרות שהוא למעשה הרוס.

אופטוגנטיקה

אופטוגנטיקה או “נוירומודולציה אופטוגנטית” היא שיטה שפותחה במעבדה של ד”ר קרל דיזסרוט (Dr. Karl Deisseroth) מאוניברסיטת סטנפורד ב-2005.

Optogenetics Cover

החוקרים מנסים להבין כיצד רשתות נוירונים מעבדות תחושות ושולטות בהתנהגות כמו לימוד וקבלת החלטות. עד כה הם עשו זאת באמצעות אלקטרופיזיולוגיה, עירור ושיטות קונבנציונאליות אחרות, כמו למשל רישום הפעילות ממוחות של חיות בעודן מבצעות משימות כדי לפתח מיומנות חדשה.

ה”אופטוגנטיקה” היא החלאה בין הגנטיקה, הווירולוגיה לאופטיקה הפיזיקאלית – שלוש טכניקות משולבות. אלה מאפשרות לחוקרים לווסת פעילות של קבוצות נוירונים בעזרת אור לייזר, לעורר או להשתיק מידית קבוצות מסוימות של נוירונים בדיוק כה רב, ששיטות מסורתיות לא מאפשרות לבצע זאת. גילו שניתן להדליק ולכבות סוג תאים מסוים במוח כמו נורות אור בעזרת חלבונים מיקרוביאלים חדשים שהם רגישים לצבע של אור הלייזר.

בעזרת הטכנולוגיה החדשה ניתן להדליק ולכבות פעילות נוירונית באוכלוסיות נבחרות של נוריונים. זאת בעזרת “מתגים” מולקולאריים, תלויים בתא מסוים, רגישים לאור ומופעלים על ידי הנוירונים. מדובר בחלבון פלורוסנטי שמופק מאצות. “מתגים” אלה הם חלבונים מיקרוביאלים מווסתי מוליכות יונים והם רגישים לאור הקרויים אופסינים (Opsins). מדעני המוח בעיקר התרכזו בשני מתגי אור כאלה, או אופסינים כדי לשפעל נוירונים. הראשון ה- ,channelrhodopsin-2 (ChR2) שאותו מוצאים בממברנות התאיות של אצות ירוקות. כאשר הוא נחשף לאור כחול הוא פותח תעלות ממברנה ומאפשר ליוני נתרן וקלציום להכנס פנימה. כאשר מהנדסים אותו גנטית לנוירונים יונקים, חלבונים אלה יוצרים שטפי יונים זהים ומשפעלים נוירונים. מתג האור השני הוא  ה- halorhodopsin (NpHR), משאבת יונים שמאפשרת ליוני כלוריד להכנס כתגובה לאור צהוב והיא משתיקה את הנוירון. מתג אור זה אמנם לא משתיק נוירונים ביעליות רבה ויש לו השפעות מרעילות על תאי מוח. לכן החוקרים מצאו שיטה טובה יותר להשתקת נוירונים (הם מנחים את האופרונים דרך התא, אל מחוץ לממברנה, שם הם מגיבים טוב יותר לאור ופותחים תעלות יונים כדי לעכב נוירונים) .

סיב אופטי שמשמש לשליטה על הפעילות העצבית בעכברים תודות ל”מתגי אור” שהונדסו גנטית לנוירונים מסוימים. הטכנולוגיה קרויה אופטוגנטיקה (מכאן)

השיטה פועלת באופן הבא:

1)      החוקרים יוצרים מבנה גנטי שמכיל את האופסין” (ChR2 או-NpHR) יחד עם פרומוטור דנ”א שמאוחה לגן. המבנה הגנטי שמכיל את ה- ChR2 או- NpHR מוכנס בנפרד לאוכלוסיות נוירונים במוח ונהפכים לחלק מהמיכון התאי.

2)      אחר כך החוקרים אורזים את המבנה הגנטי שאותו יצרו בתוך וירוס.

3)      הוירוס מוזרק לתוך המוח של החיה והוא מזהם מאוד את הנוירונים ומוסר את המבנה הגנטי. חלבוני ה- ChR2 או- NpHR מוחדרים כך למוח והם מבוטאים באוכלוסיות נוירונים אין ויוו בעזרת הפרומוטורים דנ”א שמאוחה לגן. הם מנחים את הביטוי רק בסוג התאים הנבחר בעלי המיכון ההכרחי שישפעל את הפרומוטור שלהם.

4)      מחדירים למוחה של החיה דרך הגולגולת “אופטרודה” (optrode), סיב אופטי ואלקטרודה. אור לייזר בעל אורך גל מתאים מועבר דרך הסיב האופטי אל חלבוני האופסין שיושבים בממבראנה של הנוירונים והחוקרים מעוררים אותם בעזרת אור לייזר. כך שולטים בפעילות הויסות של שטף היונים של “מתגים” אלה מבחוץ בעזרת פולסי אור. נוירונים יורים כאשר יונים נכנסים פנימה או יוצאים החוצה מהם. כך נוצר על פני הממברנה שלהם פוטנציאל זעיר. החלבון הראשון, (ChR2) הוא תעלת קטיונים שמאפשרת ליוני נתרן לעבור אל תוך הנוירון לאחר שהוא שופעל על ידי אור כחול של 470 ננומטר אורך גל (כלומר הוא פותח תעלות ממברנה ומאפשר ליוני נתרן וקלציום פנימה). בכך גדלה הפעילות של הנוירון וגדלים פוטנציאלי הפעולה. NpHR הוא משאבת כלוריד שמעבירה אניוני כלוריד אל תוך הנויריון לאחר שהוא שופעל על ידי אור צהוב של בערך 580 ננומטר. זה הגביר את הצטברות המטען השלילי בתוך התא ודיכא את פעילות הנוירון. בצורה זו, אור בעל אורך הגל המתאים נמסר לאזור המוח המסוים בעזרת מערכת מבוססת על סיב אופטי או דיודה פולטת-אור .LED ניתן לשלוט ב-ChR2 ו- NpHR בצורה נפרדת: ניתן לעורר ולהשתיק נוירונים שמבטאים ChR2 ו- NpHR מבחינה אופטית כדי שירו בדיוק תבניות פוטנציאלי פעולה. 

מקווים להשתמש ב”מתגים” מולקולאריים אלה ובחלבונים ChR2 או- NpHR שיוחדרו לסוגי תאים אנושיים באזורים במוח שאחראים למחלות, כמו, פרקינסון, אפילפסיה עם התקפים מרובים, ומצבי דיכאון קשים. 

השתלים של הפנטגון האמריקאי

הפרויקט של DARPA יתקדם כנראה באופן הבא. השתלים יהיו מורכבים מאלקטרודות או סיבים אופטיים והם ישבו על פני השטח של המוח. הם יקראו סיגנלים חשמליים מנוירונים וימסרו פולסי אור מתאימים כדי לעורר אזורי מוח אחרים כתגובה. השתלים יאפשרו למוח לפעול באופן נורמאלי על ידי זה שהם יפעלו כחלופות לאזורים שנפגעו או שלא יכולים לפעול יותר.

בתחילה החוקרים רוצים לבצע בדיקות אופטוגנטיות נוספות על עכברים ולבסוף על קופים. זאת כדי להבין טוב יותר כיצד אזורים שונים של המוח הם באינטראקציה. למשל, כיצד אזור אחד של המוח יודע אילו סיגנלים לשלוח למקומות אחרים. ברגע שהחוקרים יבנו זאת, הם מקווים לפתח צ’יפים שלמעשה מחקים את האינטראקציות האלה, כך ששתל יכול לקרוא סיגנל מאזור אחד, לעקוף את האזור הפגוע השני ולהעביר את הסיגנל לאזור השלישי.

לשתלים כאלה יש השלכות מרחיקות לכת, סיוע לחולים שעברו שבץ מוחי או שעברו ניתוח להוצאת גידול מוחי. אם הכל ילך לפי התוכניות, ההערכה היא ששתלים מוחיים עבור חיות מעבדה יהיו מוכנים תוך ארבע שנים.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s