Учёные из Калифорнийского университета в Беркли (University of California, Berkeley) ввели ген для рецептора зелёного света в глаза слепым мышам.
Месяц спустя, эти животные обходили препятствия так же легко, как и зрячие. Они стали способны различать движение, изменения в освещённости и небольшие детали на планшете, что в случае с человеком было бы достаточно для чтения букв.
Учёные говорят, что уже через три года генная терапия с использованием деактивированного вируса может быть испытана на людях, потерявших зрение из-за дистрофии сетчатки, и даст им достаточно зрения, чтобы уверенно двигаться и, возможно, вернёт им способность читать или смотреть видео.
«Через пару месяцев после введения вируса в глаз человека, он обретёт зрение, — говорит Эхуд Исакофф (Ehud Isacoff), профессор молекулярной и клеточной биологии. — В случае с нейродегенеративными заболеваниями сетчатки, люди пытаются задержать или замедлить дальнейшую дегенерацию. Новый метод возвращает восприятие изображений за несколько месяцев. Это удивительно, если задуматься».
Около 170 миллионов людей по всему миру живут с дистрофией жёлтого пятна, вызванного возрастными изменениями. Она встречается у одного из десяти людей в возрасте старше 55 лет. Около 1,7 миллиона человек имеют наиболее распространённую форму наследственной слепоты, пигментную дистрофию сетчатки, обычно оставляющую людей слепыми после 40 лет.
«У меня есть друзья, у которых нет восприятия света и их образ жизни просто душераздирающий, — говорит Джон Фланнери (John Flannery), профессор молекулярной и клеточной биологии. — Они сталкиваются с препятствиями там, где для зрячего человека их нет. Им нужен кто-то, кто пройдёт с ними по комнате, чтобы они построили объёмную карту у себя в голове. Обычные объекты, например журнальный столик, могут представлять для них опасность. Болезнь является огромной обузой для людей с отсутствием зрения, и они станут первыми кандидатами для такого вида терапии».
На данный момент, возможные варианты лечения таких пациентов ограничены лишь имплантом электронного глаза с видеокамерой, встроенной в пару очков. Это сложный, инвазивный и дорогой путь, который порождает изображение на сетчатке, эквивалентное нескольким сотням пикселей. Нормальное зрение включает миллионы пикселей.
Коррекция генетического дефекта, ответственного за дегенерацию сетчатки, не такая простая и ясная задача. Более 250 различных генетических мутаций ответственны только за пигментную дегенерацию сетчатки. Около 90% из них убивают зрительные рецепторы сетчатки, палочки, чувствительные к тусклому свету, и колбочки, ответственные за восприятие цветов. Но дегенерация сетчатки обычно щадит другие слои клеток сетчатки, включая биполярные и ганглионарные клетки.
Ганглионарные клетки бывают разных типов, некоторые из них отвечают за остроту зрения, некоторые за распознавание движения, некоторые за цветовосприятие. Большая часть из них прозрачны и поэтому не могут быть светочувствительны, получая зрительную информацию от фоторецепторов, колбочек и палочек, — кроме одной группы, содержащей светочувствительный пигмент меланопсин и способной реагировать непосредственно на свет.
Группе из Калифорнийского университета в Беркли в опытах на мышах в 90% случаев удалось придать светочувствительность почти всем ганглионарным клеткам сетчатки.
Чтобы обратить вспять процесс ослепления у мышей, исследователи создали вирус, направленный на ганглионарные клетки сетчатки и снабжённый геном, связанным с рецептором ощущения света, зелёным (средней длины волны) опсином колбочек. В естественном состоянии, опсин, чувствительный в зелёной части спектра, присутствует только в клетках фоторецепторов-колбочек. Когда же в глаз вводили вирус, он доставлялся в ганглионарные клетки, нечувствительные к свету, и делал их чувствительными к жёлто-зелёному свету и способными посылать в мозг сигналы, которые можно интерпретировать как зрение.
«В рамках тестирования нашего открытия на мышах невозможно различить по поведению, подверглась ли мышь оптогенетической обработке или это обычная зрячая мышь, — говорит Фланнери. — Остаётся проверить, как это будет происходить у людей».
У мышей исследователям удавалось доставить опсины в большинство ганглионарных клеток в сетчатке. Чтобы лечить людей, понадобится вводить намного больше частиц вирусов, потому что человеческий глаз содержит в тысячу раз больше ганглионарных клеток, чем мышиный. Но группа из Калифорнийского университета в Беркли разработала способ, помогающий обеспечить вирусную доставку опсина в количестве, достаточном, чтобы обеспечить чувствительность, эквивалентную очень высокому пиксельному разрешению в цифровой камере.
Исакофф и Фланнери нашли простое решение после десятилетних испытаний более сложных схем, включая внедрение в выжившие клетки сетчатки сконструированных на генном уровне рецепторов нейромедиаторов и светочувствительных химических переключателей. Они работали, но не достигали уровня чувствительности, сравнимого с нормальным зрением. Опсины микробов, протестированные в других местах, также имели более низкую чувствительность и требовали использования очков, усиливающих зрение.
Чтобы достичь высокой чувствительности, Исакофф и Фланнери обратились к опсинам рецепторов света в фоторецепторных клетках. Используя аденоассоциированный вирус, который естественным путём заражает ганглионарные клетки, авторы исследования доставили ген опсина сетчатки в геном ганглионарных клеток. Слепые ранее мыши обрели зрение на всю последующую жизнь.
«То, что эта система работает, реально, реально замечательно; отчасти потому, что это достаточно просто, — говорит Исакофф. — По иронии судьбы, такое можно было делать уже 20 лет назад».
Исакофф и Фланнери собирают средства для проведения генной терапии у людей через три года. Похожие системы доставки уже были одобрены FDA для лечения глазных болезней у людей с дегенеративными заболеваниями сетчатки, не имеющие других альтернатив.
По словам Фланнери и Исакоффа, большинство профессионалов в области зрения сомневались, что опсины смогут работать вне своих специализированных фоторецепторных элементов, палочек и колбочек. Поверхность фоторецептора усеяна опсинами, родопсином в палочках и красными, зелёными и синими опсинами в колбочках, они встроены в сложный молекулярный механизм. Молекулярный переключатель, каскад рецепторов, сопряжённых с G-белком, усиливает сигналы настолько эффективно, что мы способны различать одиночные фотоны света. Регулирование обратной связи позволяет адаптировать систему к различным уровням фоновой яркости. Специализированный ионный канал генерирует мощный сигнал напряжения. Разумно было предполагать, что без трансплантации всей системы, опсины не будут работать.
Но Исакофф, специализирующийся на рецепторах, сопряжённых с G-белком в нервной системе, знал, что её части существуют во всех клетках. Он подозревал, что опсин будет автоматически подключаться к сигнальной системе ганглионарных клеток сетчатки. Вместе с Фланнери он испытал родопсин, более чувствительный к свету, чем зелёный опсин колбочек.
К их радости, когда родопсин был введён в ганглионарные клетки мышей, колбочки и палочки которых полностью деградировали, у животных восстановилась способность отличать тёмное и светлое даже при слабом комнатном свете. Но родопсин оказался не совсем подходящим, поскольку не позволял распознавать изображение и объекты.
Затем они попробовали зелёный опсин колбочек, он регенерировал в 10 раз быстрее, чем родопсин. Мыши могли различать горизонтальные параллельные линии, близко расположенные от далеко расположенных (стандартная задача для проверки остроты зрения человека), движущиеся от статичных.
Восстановленное зрение было настолько чувствительным, что для опытов по визуальному распознаванию объектов стало возможно использовать iPad — вместо значительно более яркого светодиодного экрана.
Успехи позволили учёным пойти дальше и выяснить, могут ли животные ориентироваться в пространстве с помощью восстановленного зрения. Удивительно, но и тут зелёный опсин показал свою успешность. Слепые мыши обрели способность к естественному поведению — распознаванию и исследованию трёхмерных объектов.
Учёные задались вопросом — «Будет ли человек ослеплён более ярким светом?». Но оказалось, что сигнальный путь зелёных опсинов способен адаптироваться. Животные, которые были ранее слепыми, приспосабливались к изменениям яркости так же, как и зрячие. Адаптация срабатывала при различии между дневным освещением и комнатным примерно в тысячу раз.
Учёные работают в настоящее время над тестированием различных альтернатив, которые помогут восстанавливать цветное зрение и ещё больше повысить остроту восприятия и способность адаптироваться.
Полностью о данной работе можно узнать из статьи в журнале Nature Communications.
Подготовка материала: Лина Медведева