Биоинженеры научились контролировать мускулы светом

Новый эксперимент – яркий успех молодой технологии оптогенетики, ставящей целью управлять биологическими процессами in vivo с помощью импульсов излучения. О своём достижении рассказали Карл Дейзерот (Karl Deisseroth), Скотт Делп (Scott Delp) и их коллеги Стэнфорда.

Исследователи внедрили в клетки нервной системы мыши ген от водорослей, кодирующий выработку светочувствительного белка channelrhodopsin-2 (на фото под заголовком он показан зелёным). Когда на него попадает синий свет, белок инициирует электрическую активность в клетке, и этот импульс распространяется по нервным волокнам дальше.

Авторы опыта создали микроскопические светодиодные манжеты-имплантаты (на нижнем рисунке — справа), которые закрепили на седалищном нерве животного. Слева показано смоделированное поперечное сечение нерва (белый кружок) и падающий поток света (его интенсивность отражена на рисунке красным и жёлтым). При включении света наблюдалось сокращение мышц ног, причём – наиболее естественным образом.

Схема управляющей манжеты и её взаимодействия с нервом. Исследователи также приступили к "зеркальным" опытам не по стимуляции, а по световому подавлению нежелательной активности нервных волокон, вызывающей спазмы (иллюстрация Michael E Llewellyn et al./Nature Medicine).

В мышцах существует два типа волокон. Маленькие и медленные, отвечающие за тонкий контроль движений и работу с длительными нагрузками, и крупные (быстрые и сильные), которые устают намного раньше медленных. При традиционной электростимуляции первыми реагируют быстрые волокна, и это идёт в разрез с естественным ходом вещей.

Карл полагает, что такой метод, позволяющий контролировать мускулы наиболее аккуратно, окажется выгоднее электростимуляции по многим параметрам. В частности, с новой техникой мышцы должны меньше уставать (фото с сайта stanford.edu).

С оптогенетическим выключателем порядок подключения волокон оказался природным: медленные срабатывали первыми, быстрые — вторыми. Меняя интенсивность света, оказалось возможным включать вообще только лишь медленные волокна — трюк, невозможный при электростимуляции. (Подробности раскрывает статья в Nature Medicine.)

Возможно, технологию удастся распространить и на человека. Имплантация светодиодов не должна оказаться проблемой. Тут главное другое: необходимо подобрать оптимальный путь внедрения трансгенов в нервные клетки, не вызывающий опасных побочных эффектов.