Теперь неврологи могут вносить точные генетические изменения в нейроны, которые больше всего страдают от таких заболеваний мозга, как болезнь Паркинсона, Хантингтона и боковой амиотрофический склероз.
Мозг похож на экосистему - тысячи различных типов клеток соединяются в одну большую, взаимозависимую сеть. И подобно тому, как биологи документируют виды растений и животных, нейробиологи потратили десятилетия на определение различных «видов» нейронов и других клеток мозга, которые их поддерживают. Они обнаружили более 3 000 типов клеток, разбросанных по всему мозгу, включая "нейроны-люстры", окруженные ветвящимися отростками, пирамидальные нейроны с далеко идущими нервными волокнами и звездообразные астроциты, которые помогают нейронам формировать новые связи друг с другом. Это многообразие - не только прекрасная картинка для неврологов, но и ключ к пониманию того, как работает мозг и что происходит при некоторых заболеваниях мозга. Многие заболевания мозга, от болезни Паркинсона до шизофрении, связаны с определенными типами клеток мозга.
"Сколько я ни занимался нейронаукой, целью исследователей было иметь инструменты для определения типа клеток мозга", - рассказывает Джонатан Тинг из Института Аллена, некоммерческого исследовательского центра в США. "Теперь они у нас в избытке". В ходе восьми исследований, опубликованных на прошлой неделе, ученые из 29 исследовательских институтов нашли и протестировали более 1000 новых способов воздействия на определенные типы клеток, независимо от их расположения в мозге. В основе этих способов лежит использование вирусов, не вызывающих заболеваний (так называемых адено-ассоциированных вирусов или AAV), для доставки генов непосредственно в определенные нейроны. Это может заставить клетки делать практически все, что угодно. Ученые могут выключить их, активировать, «зажечь, как рождественскую елку», светящимися белками или доставить прямо к ним генные терапии, говорит Тинг, старший автор одной из новых работ.
Исследователи протестировали эту методику только на животных, но большинство инструментов работают на всех видах млекопитающих и, скорее всего, будут работать и на людях. Аналогичные, менее таргетированные генные терапии AAV уже одобрены для лечения спинальной мышечной атрофии и проходят клинические испытания для лечения болезни Хантингтона. «Есть много хороших примеров» использования AAV для лечения заболеваний мозга, - говорит Николаус Макфарланд, невролог из Университета Флориды, который занимается терапией нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и Хантингтона. «Это действительно захватывающая вещь».
Каждый тип клеток мозга - это как уникальное существо. Ученые классифицируют клетки по их форме, расположению и электрическим свойствам, а в целом - по генам, которые они экспрессируют чаще всего из всей библиотеки ДНК организма. Экспрессируя определенные гены, эти клетки выполняют конкретные действия, например, строят специализированные белки. Если исследователи смогут определить уникальный фрагмент генетического кода, который активируется только в этих клетках, они смогут использовать этот фрагмент в качестве мишени. Затем они присоединяют этот генетический фрагмент, называемый энхансером (усилителем), к AAV, очищенному от вирусной ДНК. Таким образом, они могут наполнить вирусную оболочку специфическими генами для доставки в клетки. Наполненные вирусы попадают в кровоток, как транспортные шаттлы, минуя гематоэнцефалический барьер, но способны активировать свой генетический груз в клетках.
В новых исследованиях ученые сосредоточились на типах клеток в трех частях мозга: внешнем слое мозговой ткани, называемом корой, которая играет роль в мышлении высшего уровня, стриатуме, который является частью базальных ганглиев (участок глубокой мозговой ткани), поражаемых при болезни Хантингтона и Паркинсона, и спинном мозге, двигательные нейроны которого разрушаются при боковом амиотрофическом склерозе (БАС). Консорциум из 247 ученых финансировался в рамках инициативы «Исследование мозга с помощью инновационных нейротехнологий» (BRAIN) как часть более крупного исследовательского проекта под названием «Арсенал для точного доступа к клеткам мозга». Ученые нашли и протестировали более 1000 энхансерных AAV, которые теперь находятся в свободном доступе для исследователей и нацелены на конкретные типы клеток в ключевых областях мозга.
Раньше эти энхансерные AAV разрабатывались разными лабораториями медленно, но «теперь у нас есть тысячи инструментов» для настройки конкретных типов клеток, утверждает Босилька Тасич, директор отдела молекулярной генетики в Институте Аллена и старший автор одного из новых исследований. Исследователи могут загружать эти AAV-шаттлы самыми разными генами, чтобы ответить на разные вопросы. В некоторых случаях даже просто увидеть нейроны в действии - повод для радости: «Некоторые из них - очень редкие клетки, которые вы не найдете случайно, копаясь в тканях мозга», - говорит Тинг. Чтобы наблюдать за ними, исследователи могут ввести ген, который производит светящийся белок, освещающий неуловимые нейроны изнутри, чтобы выявить их структуру и то, как они связаны с другими клетками мозга.
Исследователи также могут контролировать работу определенных клеток мозга, повышая или понижая их активность, чтобы увидеть, как эти изменения влияют на поведение животного. Для этого исследователи вставляют в клетки-мишени ген, который создает светочувствительный белок, называемый опсином; затем они могут воздействовать на мозг светом определенной длины волны, чтобы заставить эти клетки "выстрелить по команде". Группа Тинга использовала этот метод, называемый оптогенетикой, для стимуляции определенных клеток в стриатуме мышей. Когда исследователи стимулировали эти клетки только на одной стороне мозга, мыши начинали больше двигаться одной стороной тела, чем другой, что заставляло их ходить по кругу.
Такие вмешательства обратимы и повторяемы. «Именно это очень радует нейробиологов», - говорит Тинг. «Вы можете выключить их, включить снова и посмотреть, как это повлияет на мозговую цепь». Это «намного лучше и намного информативнее», чем уничтожать целые участки мозга мыши, чтобы посмотреть, что произойдет, как это было в большинстве исследований в области нейронаук прошлого века, отмечает Тасич. «В этой области мозга может быть сотня различных типов клеток», поэтому возможность активировать и инактивировать их более точно позволит получить больше информации о том, как работают эти цепи, говорит она.
На данный момент новые энхасерные AAV были протестированы на мышах, крысах и макаках. «Мы продолжаем пробовать все новые и новые виды», - рассказывает Тинг. «Мы еще даже не поняли, что является пределом. И мы собрали убедительные доказательства того, что некоторые из этих инструментов - возможно не все, но многие из них - могут работать и на людях, и могут стать началом разработки нового терапевтического вектора, который можно использовать для более точного лечения изнурительных расстройств мозга».
При таком лечении энхансерные AAV могут доставлять генную терапию прямо в клетки мозга, которые в ней нуждаются. Наилучшими кандидатами для этой методики являются нейродегенеративные заболевания, такие как БАС, болезнь Паркинсона и болезнь Хантингтона. В настоящее время исследователи работают над генной терапией AAV для этих и других заболеваний, направленной на целые области мозга, а не на конкретные типы клеток мозга. Испытания этих методов лечения показывают, что они в основном безопасны. «Сейчас у нас есть много хороших примеров использования AAV», - говорит Макфарланд. «И у нас хорошие показатели безопасности». «Мы до сих пор многого не понимаем в нейродегенеративных заболеваниях», - добавляет он, и эти маленькие вирусные челноки позволят ученым сделать открытия, ведущие к новым методам лечения. Хотя каждое из этих заболеваний мозга уникально, понимание одного из них может помочь ученым разгадать и другие, говорит Макфарланд: «Я всем сердцем верю в это».
