Фотографиистимуляция - Photostimulation

Фотографиистимуляция использование свет для искусственной активации биологических соединений, клетки, ткани или даже целиком организмы. Фотостимуляция может использоваться для неинвазивного исследования различных взаимосвязей между различными биологическими процессами, используя только свет. В долгосрочной перспективе фотостимуляция может использоваться в различных видах терапии, таких как мигрень. Кроме того, фотостимуляция может быть использована для картирования нейронных связей между различными областями мозга путем «освобождения» биомолекул от клетки светом.[1] Терапия с фотостимуляцией был вызван световая терапия, фототерапия или фотобиомодуляция.

АТФ (1) можно инактивировать до фотолиза путем добавления каркасной группы (2). Точно так же активный центр цАМФ (3) может быть инактивирован добавлением каркасной группы (4).

Методы фотостимуляции делятся на две основные категории: один набор методов использует свет для извлечения из клетки соединения, которое затем становится биохимически активным, связываясь с последующим эффектором. Например, распаковка глутамат полезен для нахождения возбуждающих связей между нейронами, так как глутамат вне клетки имитирует естественную синаптическую активность одного нейрона, сталкивающегося с другим. Другой важный метод фотостимуляции - это использование света для активации светочувствительного белка, такого как родопсин, который затем может возбуждать клетку, экспрессирующую опсин.

Ученые давно постулировали необходимость контролировать один тип клеток, оставляя при этом окружающие его нетронутыми и нестимулированными. Хорошо известные научные достижения, такие как использование электрических стимулов и электродов, привели к активации нейронов, но не смогли достичь вышеупомянутой цели из-за их неточности и неспособности различать разные типы клеток.[2] Использование оптогенетики (искусственная активация клеток с помощью световых стимулов) уникально тем, что позволяет точно и своевременно доставлять световые импульсы. Оптогенетика в некоторой степени двунаправлена ​​в своей способности управлять нейронами. Каналы могут быть деполяризованными или гиперполяризованными, в зависимости от длины волны света, направленного на них.[3] Например, метод может быть применен к каналам катионов родопсина для инициации деполяризации нейронов и, в конечном итоге, активации при освещении. И наоборот, ингибирование активности нейрона может быть запущено с помощью оптогенетики, как в случае хлоридного насоса галородопсина, который функционирует для гиперполяризации нейронов.[3]

Однако, прежде чем можно будет проводить оптогенетику, рассматриваемый субъект должен выразить целевые каналы. Природные и богатые микробами родопсины, в том числе бактериородопсин, галородопсин и канальный родопсин, имеют различный характерный спектр действия, который описывает набор цветов и длин волн, на которые они реагируют и которые заставляют их функционировать.[4]

Было показано, что канал родопсин-2, монолитный белок, содержащий световой сенсор и катионный канал, обеспечивает электрическую стимуляцию соответствующей скорости и величины для активации нейрональных импульсов. Недавно, фотоингибирование подавление нейронной активности светом стало возможным благодаря применению таких молекул, как активируемый светом хлоридный насос. галородопсин к нейронному контролю. Вместе активирован синий свет канал родопсин-2 и активированный желтым светом хлоридный насос галородопсин включить многоцветную оптическую активацию и заглушить нервную активность. (Смотрите также Фотобиомодуляция )

Методы

В клетке белок представляет собой белок, который активируется в присутствии источника стимулирующего света. В большинстве случаев фото-развязывание - это метод выявления активной области соединения путем фотолиз экранирующей молекулы («клетки»). Однако для извлечения белка из клетки требуется соответствующая длина волны, интенсивность и время свет. Достичь этого возможно благодаря тому, что оптоволокно может быть изменен для доставки определенного количества света. Кроме того, короткие импульсы стимуляции позволяют получить результаты, близкие к физиологической норме. Этапы фотостимуляции не зависят от времени, поскольку доставка белка и активация светом могут выполняться в разное время. Это связано с тем, что эти две стадии зависят друг от друга для активации белка.[5]

Некоторые белки по своей природе светочувствительны и функционируют в присутствии света. Белки, известные как опсины составляют основу светочувствительных белков. Эти белки часто встречаются в глазу. Кроме того, многие из этих белков функционируют как ионные каналы и рецепторы. Одним из примеров является то, что когда определенная длина волны света направляется на определенные каналы, закупорка в порах снимается и позволяет проводить ионную трансдукцию.[6]

Чтобы освободить молекулы от клетки, требуется система фотолиза, чтобы расщепить Ковалентная связь. Примерная система может состоять из источника света (обычно лазер или лампа), контроллер количества попадающего света, направляющая для света и система доставки. Часто конструкция функционирует таким образом, что между рассеивающим светом встречается среда, которая может вызвать дополнительный нежелательный фотолиз и ослабление света; оба являются серьезными проблемами с системой фотолиза.[5]

История

Идея фотостимуляции как метода управления функцией биомолекул была разработана в 1970-х годах. Два исследователя, Вальтер Стоукениус и Дитер Остерхельт, обнаружили ионный насос, известный как бактериородопсин который функционирует при наличии света в 1971 году.[7] В 1978 году Дж. Ф. Хоффман изобрел термин «клетка». К сожалению, этот термин вызвал некоторую путаницу среди ученых из-за того, что этот термин часто используется для описания молекулы, заключенной внутри другой молекулы. Его также можно спутать с «эффектом клетки» при рекомбинации радикалов. Поэтому некоторые авторы решили использовать термин «световая активация» вместо «клетка». Оба термина используются в настоящее время. Первая «клеточная молекула», синтезированная Hoffman et al. в Йельском университете был предшественником АТФ производная 1.[8]

Приложения

Фотостимуляция отличается своей временной точностью, которая может использоваться для получения точного времени начала активации эффекторов в клетке. В сочетании с клеткой ингибиторы, роль биомолекул в определенные моменты времени в жизненном цикле организма может быть изучена. Клеточный ингибитор Чувствительный к N-этилмалеимиду гибридный белок (NSF), ключевой медиатор синаптической передачи, был использован для изучения временной зависимости NSF.[9] Несколько других исследований показали потенциал действия стрельба за счет использования нейротрансмиттеров в клетках, таких как глутамат.[10][11] Клеточные нейротрансмиттеры, включая фотолабильные предшественники глутамат, дофамин, серотонин, и ГАМК, имеются в продаже.[12]

Сигнализация во время митоз был изучен с использованием репортерных молекул с клеткой флуорофор, который не фосфорилируется, если не произошел фотолиз.[13] Преимущество этого метода в том, что он обеспечивает «снимок» киназа активность в определенные моменты времени, а не запись всей активности с момента представления репортера.

Кальций ионы играют важную сигнальную роль, и контроль их высвобождения с помощью закрытых каналов широко изучен.[14][15][16]

К сожалению, не все организмы производят или удерживают достаточное количество опсинов. Таким образом, ген опсина должен быть введен в нейроны-мишени, если они еще не присутствуют в исследуемом организме. Добавление и экспрессия этого гена достаточны для использования в оптогенетике. Возможные средства достижения этого включают создание трансгенных линий, содержащих ген, или острый перенос гена в конкретную область или область внутри индивидуума. Эти методы известны как трансгенез зародышевой линии и доставка соматических генов соответственно.[17]

Оптогенетика показала большие перспективы в лечении ряда неврологических расстройств, таких как болезнь Паркинсона и эпилепсия. Оптогенетика может способствовать манипулированию и нацеливанию на определенные типы клеток или нейронные цепи, характеристики которых отсутствуют в современных методах стимуляции мозга, таких как DBS. На данный момент использование оптогенетики в лечении нервных заболеваний практически реализовано только в области нейробиологии, чтобы больше узнать о механизмах конкретных расстройств. Прежде чем метод может быть применен для непосредственного лечения этих расстройств, в других связанных областях, таких как генная терапия, опсиновая инженерия и оптоэлектроника, также должны быть сделаны определенные разработки.[18]

Рекомендации

  1. ^ Марина де Томмазо; Даниэле Маринаццо; Луиджи Нитти; Марио Пелликоро; Марко Гвидо; Клаудиа Серпино; Себастьяно Страмалья (2007). «Эффекты леветирацетама по сравнению с топираматом и плацебо на визуально вызванные изменения фазовой синхронизации альфа-ритма при мигрени». Клиническая нейрофизиология. 118 (10): 2297–2304. Дои:10.1016 / j.clinph.2007.06.060. PMID  17709295. S2CID  20094637.
  2. ^ Deisseroth, Карл. «Оптогенетика: управление мозгом с помощью света [Расширенная версия]». Scientific American. Получено 2017-10-14.
  3. ^ а б ЛаЛюмьер, Райан Т. (01.01.2011). «Новая техника управления мозгом: оптогенетика и ее потенциал для использования в исследованиях и клинике». Стимуляция мозга. 4 (1): 1–6. Дои:10.1016 / j.brs.2010.09.009. PMID  21255749. S2CID  3256131.
  4. ^ Чоу, Брайан Ю.; Хан, Сюэ; Бойден, Эдвард С. (2012). Генетически закодированные молекулярные инструменты для подавления светом целевых нейронов. Прогресс в исследованиях мозга. 196. С. 49–61. Дои:10.1016 / B978-0-444-59426-6.00003-3. ISBN  9780444594266. ISSN  0079-6123. ЧВК  3553588. PMID  22341320.
  5. ^ а б Г. В. Годвин; Д. Че; Д. М. О'Мэлли; Q. Чжоу (1996). «Фотостимуляция с нейромедиаторами в клетке с использованием оптоволоконных световодов». Методы неврологии. 93 (1): 91–106. Дои:10.1016 / с0165-0270 (96) 02208-х. PMID  9130682. S2CID  35862919.
  6. ^ Г. Сандос; Дж. Левитц (2013). «Оптогенетические методы исследования нативных калиевых каналов». Границы молекулярной неврологии. 6: 6. Дои:10.3389 / fnmol.2013.00006. ЧВК  3622882. PMID  23596388.
  7. ^ Карл Дейссерот (2011). «Оптогенетика». Методы природы. 8 (1): 26–29. Дои:10.1038 / nmeth.f.324. ЧВК  6814250. PMID  21191368.
  8. ^ G_nter Mayer, Александр Хекель (2006). «Биологически активные молекулы с переключателем света»"". Энгью. Chem. 45 (30): 4900–4921. Дои:10.1002 / anie.200600387. PMID  16826610.
  9. ^ Кунер Т., Ли И, Джи К.Р., Боневальд Л.Ф., Августин Г.Дж. (2008). «Фотолиз клеточного пептида показывает быстрое действие фактора, чувствительного к N-этилмалеимиду, до высвобождения нейромедиатора». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 105 (1): 347–352. Дои:10.1073 / pnas.0707197105. ЧВК  2224215. PMID  18172208.
  10. ^ Э. М. Каллауэй; Р. Юсте (2002). «Стимулирование нейронов светом». Текущее мнение в нейробиологии. 12 (5): 587–592. Дои:10.1016 / s0959-4388 (02) 00364-1. PMID  12367640. S2CID  18176577.
  11. ^ Г. Дорман; Г. Д. Прествич (2000). «Использование фотолабильных лигандов в открытии и разработке лекарств». Тенденции биотехнологии. 18 (2): 64–77. Дои:10.1016 / s0167-7799 (99) 01402-х. PMID  10652511.
  12. ^ "Соединения в клетках | Фотолиз".
  13. ^ Дай З., Дульянинова Н.Г., Кумар С., Бресник А.Р., Лоуренс Д.С. (2007). «Визуальные снимки активности внутриклеточной киназы в начале митоза». Химия и биология. 14 (11): 1254–1260. Дои:10.1016 / j.chembiol.2007.10.007. ЧВК  2171364. PMID  18022564.
  14. ^ Эллис-Дэвис Г. К. (2007). «Компаунды в клетках: технология фотовыделения для контроля клеточной химии и физиологии». Nat. Методы. 4 (8): 619–628. Дои:10.1038 / nmeth1072. ЧВК  4207253. PMID  17664946.
  15. ^ Николенко В., Посканзер К.Е., Юсте Р. (2007). «Двухфотонная фотостимуляция и визуализация нейронных цепей». Nat. Методы. 4 (11): 943–950. Дои:10.1038 / nmeth1105. PMID  17965719. S2CID  1421280.
  16. ^ Невеу П., Оухар И., Бенбрагим С., Ле Со Т., Аллеманд Дж. Ф., Вриз С., Бенсимон Д., Жюльен Л. (2008). «Ретиноевая кислота в клетке для одно- и двухфотонного возбуждения у эмбрионов рыбок данио». Энгью. Chem. Int. Эд. 47 (20): 3744–3746. Дои:10.1002 / anie.200800037. PMID  18399559.
  17. ^ Dugué, Guillaume P .; Акеманн, Вальтер; Knöpfel, Томас (01.01.2012). «Комплексная концепция оптогенетики». В Knöpfel, Томас; Бойден, Эдвард С. (ред.). Оптогенетика: инструменты для контроля и мониторинга нейронной активности. Прогресс в исследованиях мозга. Оптогенетика: инструменты для контроля и мониторинга активности нейронов. 196. Эльзевир. С. 1–28. Дои:10.1016 / B978-0-444-59426-6.00001-X. ISBN  9780444594266. PMID  22341318.
  18. ^ Махмуди, Париса; Велади, Хади; Пакдель, Фируз Г. (2017). «Оптогенетика, инструменты и приложения в нейробиологии». Журнал медицинских сигналов и датчиков. 7 (2): 71–79. Дои:10.4103/2228-7477.205506. ISSN  2228-7477. ЧВК  5437765. PMID  28553579.

внешняя ссылка