Chemogenetyka
Chemogenetyka to proces, w którym makrocząsteczki można modyfikować tak, aby wchodziły w interakcje z wcześniej nierozpoznanymi małymi cząsteczkami. Termin chemogenetyka został pierwotnie ukuty w celu opisania obserwowanego wpływu mutacji na izomerazy chalkonu na specyficzność substratów w kwiatach Dianthus caryophyllus . Ta metoda jest bardzo podobna do optogenetyki ; jednak wykorzystuje chemicznie zmodyfikowane cząsteczki i ligandy zamiast lekkich i światłoczułych kanałów znanych jako opsyny .
W ostatnich projektach badawczych chemogenetyka była szeroko stosowana do zrozumienia związku między aktywnością mózgu a zachowaniem. Przed chemogenetyką naukowcy stosowali takie metody, jak przezczaszkowa stymulacja magnetyczna i głęboka stymulacja mózgu, aby zbadać związek między aktywnością neuronów a zachowaniem.
Porównanie z optogenetyką
Optogenetyka i chemogenetyka to nowsze i popularne metody badania tego związku. Obie te metody celują w określone obwody mózgu i populację komórek, aby wpływać na aktywność komórek. Jednak używają różnych procedur, aby wykonać to zadanie. Optogenetyka wykorzystuje światłoczułe kanały i pompy, które wirusowo wprowadza się do neuronów. Aktywnością komórek, posiadających te kanały, można następnie manipulować światłem. Z drugiej strony chemogenetyka wykorzystuje chemicznie zmodyfikowane receptory i egzogenne cząsteczki specyficzne dla tych receptorów, aby wpływać na aktywność tych komórek. Zmodyfikowane makrocząsteczki użyte do zaprojektowania tych receptorów obejmują hybrydy kwasów nukleinowych , kinazy , różnorodne enzymy metaboliczne oraz receptory sprzężone z białkiem G , takie jak DREADD .
DREADD to najpowszechniejsze receptory sprzężone z białkiem G stosowane w chemogenetyce. Receptory te są aktywowane wyłącznie przez lek będący przedmiotem zainteresowania (cząsteczka obojętna) i wpływają na procesy fizjologiczne i nerwowe, które mają miejsce w ośrodkowym układzie nerwowym i poza nim. [ potrzebne źródło ]
Chemogenetyka była ostatnio faworyzowana w stosunku do optogenetyki i pozwala uniknąć niektórych wyzwań optogenetyki. Chemogenetyka nie wymaga drogiego, lekkiego sprzętu, dzięki czemu jest bardziej dostępna. Rozdzielczość w Optogenetic spada z powodu rozpraszania światła i spadku natężenia oświetlenia wraz ze wzrostem odległości między obiektem a źródłem światła. Czynniki te nie pozwalają zatem na oddziaływanie światła na wszystkie komórki i prowadzą do niższej rozdzielczości przestrzennej. Chemogenetyka nie wymaga jednak użycia światła, dzięki czemu może osiągnąć wyższą rozdzielczość przestrzenną.
Aplikacje
Wykorzystanie receptorów sprzężonych z białkiem G i chemogenetyka są obecnie celem wielu firm farmaceutycznych w leczeniu i łagodzeniu objawów chorób obejmujących wszystkie tkanki organizmu. Mówiąc dokładniej, DREADD zostały wykorzystane do zbadania możliwości leczenia różnych chorób neurodegeneracyjnych i psychologicznych, takich jak choroba Parkinsona, depresja, lęki i uzależnienia. Te wyżej wymienione stany obejmują procesy zachodzące w układzie nerwowym i poza nim, z udziałem neuroprzekaźników, takich jak kwas gamma-aminomasłowy i glutaminian . Dlatego chemogenetyka została wykorzystana w farmakologii do dostosowania poziomów takich neuroprzekaźników w określonym neuronie przy jednoczesnym zminimalizowaniu skutków ubocznych leczenia. Aby leczyć i łagodzić objawy dowolnej choroby za pomocą DREADD, receptory te są dostarczane do obszaru zainteresowania poprzez transdukcję wirusową. [ potrzebne źródło ]
Ostatnio niektóre badania rozważały zastosowanie nowej metody zwanej retro DREADD. Ta metoda umożliwia badanie określonych ścieżek neuronalnych w rozdzielczości komórkowej. W przeciwieństwie do klasycznych DREADD, metoda ta jest zwykle stosowana u zwierząt typu dzikiego, a receptory te są podawane komórkom docelowym poprzez wstrzyknięcie dwóch wektorów wirusowych.
modele zwierzęce
Dredy były stosowane w wielu modelach zwierzęcych (np. myszach i innych zwierzętach innych niż naczelne) do celowania i wpływania na aktywność różnych komórek. Chemogenetyka stosowana u zwierząt pomaga w demonstrowaniu modeli chorób u ludzi, takich jak choroba Parkinsona . Posiadanie tych informacji pozwala naukowcom zrozumieć, czy wirusowa ekspresja białek DREADD, zarówno wzmacniaczy in vivo, jak i inhibitorów funkcji neuronów, może być wykorzystana do dwukierunkowego wpływania na zachowania i aktywność zaangażowanych neuronów. Ostatnie badania wykazały, że DREADD były z powodzeniem stosowane w leczeniu deficytów motorycznych szczurów modelujących chorobę Parkinsona. Inne badania odniosły sukces, łącząc stosowanie DREADD i wpływając na poszukiwanie narkotyków i zachowanie uczulające na narkotyki.
Postęp chemogenetyki od gryzoni do naczelnych był powolny ze względu na zwiększone zapotrzebowanie na czas i koszty związane z tymi projektami. Jednak niektóre ostatnie badania przeprowadzone w 2016 roku były w stanie wykazać sukcesy, pokazując, że wyciszenie aktywności neuronów w korze oczodołowo-czołowej wraz z usunięciem kory nosowej ograniczyło wykonywanie zadań związanych z nagrodą u makaków.
Ograniczenia i przyszłe kierunki
Chemogenetyka i wykorzystanie DREADD umożliwiły naukowcom postęp w obszarach badań biomedycznych, w tym w wielu chorobach neurodegeneracyjnych i psychiatrycznych. Chemogenetyka została wykorzystana w tych dziedzinach do wywołania specyficznych i odwracalnych zmian w mózgu, a tym samym do badania specyficznych aktywności populacji neuronów. Chociaż chemogenetyka oferuje specyficzność i wysoką rozdzielczość przestrzenną, nadal napotyka pewne wyzwania, gdy jest stosowana w badaniu neuropsychiatrycznych . Zaburzenia neuropsychiatryczne mają zwykle złożony charakter, a zmiany w mózgu nie zostały zidentyfikowane jako główna przyczyna. Chemogenetyka została wykorzystana do odwrócenia niektórych deficytów związanych z takimi stanami; jednakże nie był w stanie zidentyfikować głównej przyczyny chorób neuropsychiatrycznych i całkowicie wyleczyć tych stanów ze względu na złożony charakter tych stanów. Niemniej jednak chemogenetyka została z powodzeniem zastosowana w przedklinicznym modelu padaczki lekoopornej , w której napady powstają z odrębnej części mózgu.