La optogenética es como un mando a distancia para activar y desactivar neuronas
El cerebro es el sistema más complejo del universo. Hasta el punto que con las técnicas actuales se hace difícil avanzar en su conocimiento. Esa es la esencia del Proyecto Brain de Estados Unidos y del Proyecto del cerebro humano financiado por la Comisión Europea: buscar nueva técnicas que permitan a los neurocientíficos dar respuesta a cuestiones complejas como las enfermedades mentales, neurológicas o neurodegenerativas.
En esa línea la
optogenética ha supuesto una revolución porque permite activar y desactivar
circuitos neuronales en animales vivos y ver cómo cambia su
comportamiento. Nacida de la óptica y
la genómica, es una técnica prometedora para comprender mejor los traumas y las
enfermedades neurodegenerativas y está causando furor en el mundo de la neurociencia
actual, tanto que fue nombrada como “Técnica del año” por la revista Nature en 2010.
El verdadero artífice de esta
revolución fue el bioingeniero y psiquiatra Karl Deisseroth, profesor de la
universidad de Standford. Esta idea de poder manejar células y tejidos no
habría podido llevarse a cabo sin el descubrimiento de lo que hoy en día se
denominan opsinas, unas proteínas propias de microorganismos que son capaces de
regular el flujo de carga eléctrica (mediante el movimiento de iones) a través
de sus membranas en respuesta a la luz. En el año 2000, unas décadas después
del descubrimiento de las primeras opsinas (bacteriorodopsina y halorodopsina)
se consiguió aislar una nueva proteína de un organismo unicelular, el alga
Chlamydomonas reinhardtii, a la que se le dio el nombre de Channelrodopsina
2 (ChR2).
La invención de la optogenética
aceleró enormemente el ritmo de los avances en la ciencia del cerebro. Pero los
científicos estaban limitados por la dificultad de suministrar luz en el tejido
cerebral de manera profunda. Ahora, microchips flexibles y ultra-finos, cada
uno apenas más grande que una neurona, están siendo probados como dispositivos
inyectables para poner los nervios bajo control inalámbrico. Pueden ser
insertados profundamente en el cerebro con un daño mínimo al tejido adyacente.
La optogenética es una
técnica que se usa para “encender” y “apagar” grupos de neuronas del cerebro.
Este método combina la genética, la óptica y la virología con el fin de
estudiar e incluso tratar algunas enfermedades neurodegenerativas como el
Parkinson y el Alzheimer, o trastornos tan comunes como la ansiedad, el
insomnio o la epilepsia.
Insertando uno o más genes de opsina en determinadas neuronas en
ratones, los biólogos están ahora en condiciones de utilizar luz visible para
activar o desactivar neuronas específicas a su voluntad. Con el paso de los
años, los científicos han adaptado versiones de estas proteínas para que
respondan a distintos colores, que van del rojo oscuro, al verde, al amarillo,
al azul. Al poner diferentes genes en diferentes células, utilizan pulsos de
luz de varios colores para activar una neurona y luego varias de sus vecinas en
una secuencia de tiempo precisa.
Un cerebro genéticamente modificado
Con el tiempo los expertos de
optogenética esperan que esta técnica, además de perfeccionar nuestro
conocimiento del cerebro sano, permitirá curar mejor el cerebro enfermo.
Con los métodos de la ingeniería
genética utilizada en la optogenética, es muy posible focalizar, entre las 100
billones de neuronas, una u otra de estas poblaciones específicas. Por ejemplo,
sólo las neuronas dopaminérgicas, relativamente poco numerosas. Y sobre-activarlas
artificialmente a través de flashes luminosos, para aumentar su producción de
dopamina, reduciendo los síntomas de la enfermedad de Parkinson.
La canalrodopsina-2 (ChR2): ingrediente clave de la optogenética
La canalrodopsina-2 (ChR2) es un
canal en la membrana similar a los canales sodio que controlan los picos en las
neuronas, con la diferencia de que la luz en la longitud de onda azul es la que
lo abre, permitiendo que cualquier ion cargado positivamente lo atraviese. Por
tanto, cuando la luz azul es proyectada sobre las neuronas que contienen ChR2,
los iones de sodio, cargados positivamente, son capaces de entrar en la neurona
antes de que otros canales en su membrana se abran. Esta carga añadida en el
interior de la célula abre las compuertas para que incluso más iones de sodio
puedan entrar y se tiene neuronas activas produciendo.
Cuando luz azul ilumina ChR2, éste se abre, permitiendo que los iones
cargados positivamente atraviesen la membrana celular. Esto “activa” la neurona
produciendo muchos potenciales de acción.
En 2003, un grupo de científicos
en Alemania publicó un artículo en el que utilizaban con éxito una proteína
sensible a la luz y procedente de algas verdes, la canalrodopsina (del inglés, channelrhodopsin)
en células renales de mamífero en cultivo. Estos descubrimientos indicaban que
quizás estas proteínas serian viables a la hora de expresarlas en neuronas.
Ed Boyden y Karl Deisseroth de
la universidad de Stanford en 2005 consiguieron ChR2 del grupo de Alemania y
comenzaron a perfeccionar la forma de llevar la proteína a las neuronas en una
placa. Un solo gen era suficiente para hacer que la proteína fuera totalmente
funcional, se expresaba en neuronas de mamíferos, y funcionaba en una escala
temporal lo suficientemente rápida como para ser compatible con la comunicación
neuronal.
Con el paso de los años extendieron
las herramientas de la optogenética añadiendo proteínas, que al contrario de
ChR2, inactivasen neuronas
cuando se las excitaba con luz de una determinada longitud de onda. Hoy en día,
existen muchas opsinas diferentes optimizadas genéticamente, como por ejemplo
existe un set de opsinas “paso-función” (del inglés, step-function) que
solo necesitan un breve pulso de luz para “encender o apagar” la neurona por un
periodo de tiempo prolongado, esperando por otro pulso de luz que las devuelva
a su estado normal.
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| Opsina paso-función |
El avance más importante ha sido
su aplicación en subgrupos de neuronas. La optogenética puede utilizarse para
encender o apagar un área cerebral e identificar su papel en el comportamiento,
pero también para enfocarse en tipos
específicos de neuronas en una misma región cerebral.
Con los años, la modificación
mediante la ingeniería genética de proteínas existentes, así como el
descubrimiento de otras proteínas sensibles a la luz, han permitido que los
investigadores tengan acceso a una gama de herramientas para el control de la
activación de las neuronas.
Funcionamiento
Etapas para la aplicación de la optogenética al estudio del cerebro
La optogenética se basa principalmente en la inserción, en el cerebro, de los genes codificantes de una proteína foto-activa generalmente de origen bacteriano, llamada opsina.
El gen de una micro-alga que se
utiliza para sintetizar la opsina, una proteína sensible a la luz, es aislado y
modificado en laboratorio.
Este gen está asociado con un
promotor, pequeño fragmento del ADN que permite limitar la activación a un
determinado tipo de neurona; según el promotor solicitado, se apunta a una
población específica de neuronas.
El conjunto se inserta en un
virus desactivado, que, cuando se inyecta en el cerebro del conejillo de
Indias, servirá como vector en su interior.
La optogenética permite controlar el ratón a distancia, gracias a una fibra óptica que emite directamente la luz en su cerebro.
La optogenética permite controlar el ratón a distancia, gracias a una fibra óptica que emite directamente la luz en su cerebro.
La fibra óptica introducida en el cerebro envía un flash luminoso para hacer reaccionar las neuronas específicas después que éstas hayan fabricado la opsina con ayuda del gen.
Al activarse para construir un recuerdo, las neuronas producen
proteínas específicas que pueden ser etiquetadas mediante la ingeniería
genética con otras proteínas emisoras
de luz, de forma que las células neuronales se iluminen cuando empiecen
a fabricar un recuerdo. Los científicos ven algo parecido a las luces en las
ventanas de un edificio de oficinas de noche que insinúan la ubicación de los
trabajadores en su interior.
Hay diferentes opsinas reaccionando a luces de diferentes colores;
algunas activan la neurona, otras la inhiben.
Esta técnica tiene implicaciones
reales y de gran importancia para el tratamiento de algunas patologías hoy en
día todavía incurables entre las que cabe destacar:
* Ha servido para controlar
ataques epilépticos en modelos animales experimentales.
* Al manipular las neuronas
dopaminérgicas que forman parte del circuito de recompensa del cerebro, se ha
podido potenciar o evitar la adicción a la cocaína o tratar a animales enfermos
de Parkinson.
* El control neuronal del sueño
y la vigilia ha podido ser manipulado a voluntad. La activación optogenética de
unas neuronas llamadas hipocretinas interrumpe el sueño de un animal profundamente
dormido, mientras que la inhibición optogenética de estas neuronas provoca un
estado inmediato de sueño profundo en animales que estaban despiertos al
momento de aplicar el estímulo luminoso. Estos hallazgos han sentado las bases
para desarrollar fármacos que modulen el sueño y para el tratamiento de
trastornos como la narcolepsia.
* Con la ayuda de métodos
optogenéticos, se pudo activar selectivamente a un grupo de neuronas del
hipotálamo. La activación de estas neuronas por sí solas fue suficiente para
inducir apetito, incluso en animales saciados y sin necesidad de previo
entrenamiento, demostrando que una conducta compleja como la alimentación puede
ser controlada optogenéticamente. Por otra parte, la activación de otro grupo
de neuronas, localizadas en la misma región del cerebro, reduce el apetito y
produce pérdida de peso corporal en menos de 24 horas, lo que podría ser
utilizado como futuro tratamiento para pacientes con obesidad.
* Si se produce una arritmia
cardíaca, el corazón nuevamente puede bombear sangre al ritmo de la luz. De
hecho, se ha desarrollado el primer marcapasos basado en la optogenética.
*
*
La optogenética permite recuperar recuerdos perdidos
Investigadores del Instituto
Tecnológico de Massachusetts (MIT), según un estudio publicado en la
revista Science en mayo
2015, han sido capaces de etiquetar, en cerebros de ratones, las neuronas que
almacenan un recuerdo y reactivarlas a voluntad con un rayo de luz azul.
El equipo se centró en intentar sintonizar la memoria con dos
objetivos: borrar los malos recuerdos y
mejorar las memorias positivas. Para lograrlo, se fijaron en un
neurotransmisor específico del cerebro, la acetilcolina, una molécula que sirve
de mensajero a nivel cerebral.
Los investigadores ha especulado de que en algún lugar de la red
cerebral haya una población de neuronas que se activan durante el proceso de
adquisición de la memoria, causando cambios físicos o químicos que la soportan.
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| Experimento optogenético realizado con ratones |
Al registrar un acontecimiento en la memoria, se conectan entre sí
neuronas en zonas especializadas en tareas diferentes del cerebro. La ruta de
almacenaje de un recuerdo tiene dos vías: los datos neutros (dónde y qué sucedió) se guardan en el hipocampo, la cara interior del
encéfalo; y el significado emocional,
en la amígdala. La acetilcolina
llegaría a la amígdala, donde las neuronas colinérgicas la recibirían para
formar los recuerdos.
Los investigadores, entonces, intentaron descubrir qué sucede a
los recuerdos sin este proceso de consolidación. Administraron un compuesto
llamado anisomicina, que bloquea la síntesis proteínica dentro de las neuronas,
inmediatamente después de que los ratones habían formado una nueva memoria,
pudiendo evitar el fortalecimiento de las sinapsis.
Cuando los investigadores reactivaron las células engramáticas,
con sus bloqueadas proteínas de síntesis, usando las herramientas
optogenéticas, encontraron que los ratones mostraron todos los signos de
recordar dicha memoria en su totalidad.
Para ahondar más en los mecanismos de este tipo de neuronas, los
investigadores usaron un método de
memoria basado en el miedo en ratones de laboratorio, ya que el miedo es
un tipo de memoria emocional muy potente. Cuando aumentaban la liberación del neurotransmisor acetilcolina
en la amígdala durante la formación de un recuerdo traumático, dicho recuerdo
se reforzaba hasta dos veces más que un recuerdo normal. Por otro lado, si se disminuía la acetilcolina en la
amígdala durante una experiencia traumática, eran capaces de acabar con
la formación del recuerdo.
Esta investigación ha permitido disociar los mecanismos de
almacenamiento de la memoria de aquellos que permiten entrenarla y recuperarla.
Esto demuestra que en algunas formas de amnesia la memoria del pasado tal vez
no fue borrada, pero es simplemente 'inaccesible'. Estos trabajos proporcionan
una luz sorprendente sobre la naturaleza de la memoria y estimularán más
investigación sobre la biología de la memoria y su restauración clínica.
Una experiencia que arroja nueva luz sobre el mecanismo biológico
de la amnesia y potencialmente abre el camino para los tratamientos. Esta
investigación avanza la comprensión de la naturaleza de la amnesia.
El calcio revela las conexiones entre neuronas
Su experimento, combina la optogenética con otro método de
vanguardia neurotecnológica: el calcium
imaging, que detecta la
activación neuronal al incrementar la concentración de calcio cuando empiezan
los impulsos nerviosos. El equipo ha utilizado un modulador espacial que
divide la luz en un holograma consistente en pequeños haces que, por ejemplo,
activan de manera simultánea seis neuronas implicadas en formar una cara
sonriente.
Aplicaciones clínicas de la optogenética
Aunque la optogenética se utiliza fundamentalmente con ratones, se
puede hacer una traslación a nivel
básico: los ratones tienen muchas estructuras cerebrales semejantes a
las humanas, aunque en el cerebro humano todo está ampliado y es más complejo.
Los experimentos optogenéticos se han multiplicado utilizando proteínas microbianas para controlar los movimientos de pequeños organismos como nematodos o moscas de la fruta. Su grado de perfeccionamiento ha sido insólito desde entonces.
En breve, la optogenética podrá utilizarse contra la ceguera, para tratar de devolver parte de la visión perdida con lesiones de retina. Su aplicación también podría sustituir los marcapasos cerebrales para el Parkinson, perfeccionar nuevas prótesis para la pérdida auditiva, revelar con más precisión el mecanismo responsable del sueño REM y mitigar la adicción en consumidores de cocaína.
La optogenética también explora emociones, sentimientos y patologías
como la depresión y la ansiedad. Sin embargo, cuando se trata de estructuras como la corteza cerebral, la parte
más evolucionada de nuestro cerebro y que nos da ventaja respecto a
otras especies, los resultados obtenidos con animales son más difíciles de
trasladar a nuestra especie.
La optogenética se utiliza en el campo de la robótica. Investigadores de la Universidad de Harvard han desarrollado en julio de 2015 un raybot, mitad robot mitad organismo, cuya trayectoria y puesta en movimiento son controladas por la optogenética. Constituido de un cuerpo de elastómero, de un esqueleto de oro capaz de almacenar energía elástica, el organismo está cubierto con células vivas del corazón de ratas modificadas genéticamente para ser fotosensibles. Expuestos a la luz, los cardiomiocitos se contraen y se accionan las aletas. Cada aleta se ajusta a un modelo específico de luz, que permite que el robot gire. Esta nueva tecnología hace presagiar varios beneficios positivos, particularmente en la ingeniería de tejidos. Aprender a estructurar y controlar las células del corazón podría conducir a la creación de corazones artificiales para el trasplante.
La optogenética se utiliza en el campo de la robótica. Investigadores de la Universidad de Harvard han desarrollado en julio de 2015 un raybot, mitad robot mitad organismo, cuya trayectoria y puesta en movimiento son controladas por la optogenética. Constituido de un cuerpo de elastómero, de un esqueleto de oro capaz de almacenar energía elástica, el organismo está cubierto con células vivas del corazón de ratas modificadas genéticamente para ser fotosensibles. Expuestos a la luz, los cardiomiocitos se contraen y se accionan las aletas. Cada aleta se ajusta a un modelo específico de luz, que permite que el robot gire. Esta nueva tecnología hace presagiar varios beneficios positivos, particularmente en la ingeniería de tejidos. Aprender a estructurar y controlar las células del corazón podría conducir a la creación de corazones artificiales para el trasplante.
Sería posible hacer que las neuronas humanas sean fotosensibles especialmente
con el uso de un vector viral inofensivo, diseñado para proporcionar
temporalmente la opsina.
La optogenética inicia ensayos clínicos en humanos
La optogenética para terapias humanas está en las primeras etapas
de su desarrollo. Desde que se publicaron los primeros trabajos sobre
optogenética a mediados de la década pasada, algunos investigadores han
especulado con el uso de la optogenética en pacientes, imaginando por ejemplo
la posibilidad de tener un interruptor para controlar la depresión.
De momento la optogenética no está suficientemente desarrollada
para utilizarla en el cerebro de las personas, ya que la técnica requiere
introducir un cable de fibra óptica para llevar la luz al cerebro, un método
que antes de aplicar a los humanos debe garantizar su seguridad.
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| Células del corazón controladas por la luz |
Ahora, los ensayos clínicos podrían ser posibles por primera vez
debido a los avances tecnológicos significativos. El implante emisor de luz
puede ser reemplazado por un parche, eliminando la necesidad de la cirugía
invasiva. Y aunque los virus hayan facilitado la manipulación genética en
humanos, todavía no es perfecto. Pronto, nuevas herramientas de modificación
genética como CRISPR (genes de ADN que contienen repeticiones cortas de
secuencias de bases) podría proporcionar la solución más elegante hasta la
fecha, pero sólo si los funcionarios simplifican las regulaciones que rodean el
uso de CRISPR en seres humanos.
En noviembre 2015, Circuit Therapeutics anunció que había recibido
un contrato de DARPA para usar la optogenética para tratar el dolor crónico.
Los tratamientos para esa condición probablemente serán los primeros en ser
probados en ensayos clínicos. Si los experimentos van bien, el tratamiento
podría estar disponible en una década, abriendo la puerta a la optogenética
para ser utilizada en tratamientos clínicos para una serie de otras
condiciones.
Se puede comenzar ensayos clínicos con optogenética para tratar el dolor
crónico, porque sería una terapia menos invasiva que las que requieren
implantación de electrodos dentro del cerebro. Las neuronas afectadas por dolor
crónico son relativamente accesibles, ya que residen dentro y justo por fuera
de la médula espinal, y son mucho más fáciles de manipular que el cerebro. Incluso
se puede actuar sobre las terminaciones nerviosas de la piel, que son todavía
más fáciles de alcanzar.
El reto principal que afrontan las terapias de optogenética es
cómo insertar los genes que produzcan canales de opsina en las neuronas humanas
adultas.
El segundo obstáculo es cómo iluminar las neuronas que llevan los
canales opsina, de manera que se encienda o apague el circuito cerebral
deseado. En humanos suministrar luz directamente al cerebro requeriría cirugía
mayor, pero silenciar las neuronas periféricas que transmiten el dolor sería
mucho menos invasivo. Aunque las neuronas fuera del cerebro son más accesibles,
también son difíciles de activar con luz, porque un dispositivo emisor rígido
podría dañar el delicado tejido nervioso.
La optogenética puede devolver la vista a personas ciegas
Neurocirujanos del centro RetroSense Therapeutics en
Michigan prueban por primera vez en humanos, en febrero 2016, una nueva técnica
de optogenética que puede
devolver la vista a las personas ciegas que tienen la retina dañada.
El método se ha probado con éxito en ratones y monos. Si tiene
éxito también con humanos, supondría la
cura de un tipo de ceguera conocida con el nombre de retinitis pigmentosa,
una degeneración de las células de la retina sensibles a la luz, causando la
pérdida de la visión periférica y nocturna y, con el tiempo, la ceguera total.
Los primeros 15 pacientes que van a recibir este tratamiento no
están completamente ciegos, pero apenas pueden distinguir objetos que tienen
delante de la cara. Si la optogenética
tiene éxito esperan que puedan ver también objetos de la periferia, e incluso
leer letras grandes.
La gran duda ahora es saber realmente cómo será esa visión
recuperada por los pacientes. Puesto que la proteína introducida por el virus
sólo reacciona a un tipo de luz, lo más probable es que los pacientes sólo
puedan ver en monocromo. Por eso esperan ansiosos los resultados.
Premio Fundación BBVA Fronteras
del Conocimiento: A los impulsores de la optogenética
El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Biomedicina
ha recaído (enero 2016) en los neurocientíficos Edward Boyden, Karl Deisseroth
y Gero Miesenbök, por desarrollar y perfeccionar la técnica que utiliza la luz para activar o desactivar las proteínas en las neuronas, con una precisión sin precedentes. La
Fundación BBVA reconoce la optogenética, el control de las neuronas con luz.
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| Edward Boyden, Karl Deisseroth y Gero Miesenbök |
Desde el desarrollo de esta técnica, miles de investigadores han utilizado la optogenética para investigar
funciones como el sueño, el apetito, la toma de decisiones, la
percepción del tiempo o la formación de recuerdos, así como para comprender
enfermedades como la epilepsia, el Parkinson, la depresión o incluso algunas
formas de ceguera.
También se ha querido reconocer a los tres galardonados su capacidad
por dar a conocer y distribuir esta técnica para que científicos de todo el
mundo puedan tener acceso a él y utilizarlo en sus investigaciones.
Publicaron su trabajo en 2005, y desde entonces la técnica ha
seguido mejorándose, por ejemplo con proteínas que reaccionan a distintas
velocidades y a diferentes tipos de luz, lo que amplía la variedad de funciones
cerebrales que pueden ser estudiadas.
En 2013, el prestigioso Brain Prize ha sido otorgado a los seis
inventores de la optogenética, Ernst Bamberg, Edward Boyden, Karl Deisseroth,
Peter Hegemann, Gero Miesenböck y Georg Nagel por la invención y el desarrollo de la optogenética.
*
*
El cerebro humano
se compone de unas 100.000 millones de neuronas. Éstas son las encargadas de
transmitir la información que nos define, así como nuestra conducta: nuestras
reacciones psicológicas y forma física (actúan sobre el sistema motriz). Así
que encontrar un mecanismo por el cuál podamos acceder y “controlar” su funcionamiento
nos abre infinitas posibilidades,
no sólo para el tratamiento de
enfermedades, sino a infinitos campos relacionados con nuestra memoria individual y colectiva,
nuestra psiquis en general.
Aunque haya surgido a mediados de la década del 2000, la optogenética ya ha renovado profundamente el paisaje de Neurociencias. Moscas con vinagre, ratón y pez cebra han sido designados voluntarios, con resultados asombrosos.
Aunque haya surgido a mediados de la década del 2000, la optogenética ya ha renovado profundamente el paisaje de Neurociencias. Moscas con vinagre, ratón y pez cebra han sido designados voluntarios, con resultados asombrosos.
La optogenética no es más peligrosa que otros métodos. Biólogos y
médicos han tenido durante mucho tiempo la capacidad de cambiar comportamientos
a través de intervenciones farmacológicas, eléctricas y ambientales, por lo que
la optogenética no plantea cuestiones éticas nuevas en lo fundamental. Las
limitaciones técnicas que la optogenética para su uso en humanos, la hacen de
momento inviable, es porque se requiere el uso de virus para inyectar la
proteína sensible a la luz en las neuronas que quieren manipularse.
Además de las perspectivas de beneficios en el tratamiento de enfermedades neurológicas y la creación de órganos artificiales, la optogenética, como otros modificadores neuronales, abre toda una serie de cuestiones éticas relacionadas con el control y la modificación de la memoria, de los recuerdos.
Además de las perspectivas de beneficios en el tratamiento de enfermedades neurológicas y la creación de órganos artificiales, la optogenética, como otros modificadores neuronales, abre toda una serie de cuestiones éticas relacionadas con el control y la modificación de la memoria, de los recuerdos.
El potencial de esta técnica es tal que no sólo ayuda a comprender
la personalidad y las emociones, sino también a encontrar el origen de la agresividad y a propiciar
terapias específicas para distintas enfermedades mentales.
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