Wat is optogenetica?
Optogenetica is het regelen van celwerking met behulp van een combinatie van genetische en optische technieken. Deze methode begon met de ontdekking van biochemicaliën die cellulaire reacties produceren bij blootstelling aan licht. Door de genen te isoleren die coderen voor deze eiwitten, gebruiken wetenschappers ze om lichtreacties in andere levende cellen te stimuleren. De kennis die is opgedaan met optogenetica geeft onderzoekers meer inzicht in verschillende ziekteprocessen.
In de jaren zeventig ontdekten wetenschappers dat bepaalde organismen eiwitten produceren die de elektrische ladingen regelen die normaal celmembranen passeren. Deze eiwitten veroorzaakten wisselwerking tussen cellen bij blootstelling aan bepaalde golflengten van licht. Deze eiwitten, gewoonlijk aangeduid als G-eiwitten, worden gecodeerd door een groep genen die opsinen worden genoemd. Gedurende deze periode ontdekten onderzoekers dat bacteriorodopsines reageren op groen licht. Verder onderzoek ontdekte andere leden van de opsine-familie, waaronder channelrhodopsin en halorhodopsin.
Gedurende het decennium 2000 tot 2010 ontdekten neurowetenschappers dat het mogelijk is om opsine-genen te extraheren en in andere levende cellen in te voegen, die dan dezelfde lichtgevoeligheid krijgen. Een van de aanvankelijk gebruikte methoden was het verwijderen van opsine-genen, het combineren ervan met een goedaardig virus en het inbrengen in levende neuronen in een petrischaaltje. Toen de geïnjecteerde cellen werden blootgesteld aan pulsen van groen licht, reageerden de neuronen door ionkanalen te openen. Met de kanalen open, ontvingen de cellen een instroom van ionen waardoor een elektrische stroom vloeide, waardoor communicatie met een ander neuron werd geïnitieerd. Wetenschappers ontdekten dat andere G-eiwitten op verschillende lichtkleuren reageren, waardoor calciumionkanalen en epinefrine-afgifte worden geremd of verbeterd.
Onderzoek ging uiteindelijk van het toepassen van optogenetica op een kleine groep levende cellen naar het gebruik van levende zoogdierpatiënten. Door de opsine-genen in de hersenen van muizen te introduceren, begonnen de cellen de G-eiwitten te produceren. Met deze G-eiwitten en glasvezel konden wetenschappers de snelheid van neuronen afvuren. Ze ontwikkelden ook een methode voor het omzetten van een kleine optische vezel in een elektrode om een elektrische uitlezing van cellulaire activiteit te bieden. Met deze interface tussen hersenen en computer kunnen onderzoekers specifieke groepen cellen overal in de hersenen evalueren en reguleren.
Door magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en optogenetica te combineren, kunnen onderzoekers neurale activiteiten en paden in de hersenen in kaart brengen. Door de fijne kneepjes van neurologische functies te onderzoeken, krijgen artsen een beter inzicht in wat normale en abnormale hersenactiviteit is. In tegenstelling tot medicijnen en elektrotherapie, maakt optogenetica regulering van specifieke cellen en routes mogelijk. De kennis en technologie verkregen uit optogenetica maakt ook controle mogelijk over de functie van hartcellen, lymfocyten en insuline-afscheidende pancreascellen.