Блог

Aug 09, 2023

Летние чтения #SpaceWatchGL: Чудеса микро

Слепотой из-за заболеваний сетчатки страдают более 200 миллионов человек во всем мире, и ожидается, что к 2040 году это число достигнет 290 миллионов. Два наиболее распространенных дегенеративных заболевания сетчатки называются

Слепотой из-за заболеваний сетчатки страдают более 200 миллионов человек во всем мире, и ожидается, что к 2040 году это число достигнет 290 миллионов. Два наиболее распространенных дегенеративных заболевания сетчатки называются пигментным ретинитом и возрастной дегенерацией желтого пятна (ВМД). Пигментным ретинитом страдают полтора миллиона человек во всем мире. Все начинается с того, что периферическое зрение темнеет, пока человек полностью не ослепнет. Только в США ВМД поражает 30 миллионов человек старше 55 лет, в том числе 10 миллионов на стадии ослепления. ВМД начинается с затемнения центрального зрения, пока человек не становится полностью слепым. Решения, первоначально разработанные для поврежденных зрительных нервов, в основном представляли собой электронные протезы (бионическая замена глаза), но, помимо того, что они стоили 150 000 долларов и требовали инвазивной хирургии головного мозга, они возвращали набор грубых светлых и темных пикселей из сигнала, передаваемого через зрительный нерв. , не что иное, как естественное функциональное зрение. Может ли биотехнология найти лучшее решение?

Наша сетчатка — это тонкий слой в задней части глаза, образованный миллионами фоторецепторов, называемых колбочками и палочками. В течение дня мы воспринимаем цвета через колбочки, которые видят синий, зеленый и красный. Ночью сетчатка переключается на палочки, давая нам сероватое зрение, типичное для ночи. Всего имеется 6 миллионов колбочек и 120 миллионов палочек. Эти фоторецепторные клетки при стимуляции фотонами реагируют, посылая электрохимический сигнал другим клеткам, расположенным дальше в сетчатке: сначала биполярным клеткам, затем ганглиозным клеткам, чьи сетчатые аксоны образуют зрительный нерв. Сигнал, передаваемый зрительному нерву для обработки мозгом, дает нам то, что мы воспринимаем как естественное зрение.

За последнее десятилетие в США и Японии (RIKEN) изучалось несколько вариантов выращивания сетчатки. Первоначально этот основной биотехнологический подход заключался в попытке восстановить естественную структуру колбочек и палочек, что казалось настолько сложным, что не привело к работающему решению. Но как насчет того, чтобы попытаться заменить наши естественные колбочки искусственными, но столь же эффективными фоторецепторами? Чтобы добраться до того, что нам нужно, давайте сначала внимательно посмотрим на белки в естественной сетчатке.

Строительными блоками фоторецепторов нашей сетчатки (колбочек и палочек) являются класс белков, называемый «опсин». Свойства опсина обусловлены веществом под названием ретиналь, молекулой пигмента, классифицируемой как хромофор, что означает молекулу, поглощающую энергию фотонов. Расположенный внутри колбочек и палочек белок опсин генерирует светоактивируемое зрение. «Опсин» представляет собой «фотопсин» в колбочках, обеспечивая дневное зрение синего, зеленого и красного цветов. Однако, как ни странно, именно «родопсин», белок, содержащийся в палочках и приспособленный для ночного видения, привел к решению.

Можем ли мы найти природный источник белка со свойствами, подобными родопсину?

Основная идея, выходящая за рамки синтетической сетчатки, заключается в том, что вместо того, чтобы пытаться восстановить исходный рисунок колбочек и палочек, мы хотим заменить эту разрушенную мозаику новым синтетическим слоем, содержащим белок с такими же фоторецепторными свойствами. Но мы не знаем, как производить фотопсин сетчатки и родопсин. И нам все еще необходимо перепроектировать способность точно передавать соответствующий электрохимический сигнал в мозг через зрительный нерв. Зная, что эти фоторецепторы (120 миллионов палочек и 6 миллионов колбочек) образуют мозаичный слой на сетчатке с соотношением палочек/колбочек 95/5 в пользу родопсина и фотопсина, мы хотим сначала посмотреть в сторону родопсина.

Возникает вопрос: можем ли мы найти природный источник белка со свойствами, подобными родопсину? Если бы мы могли синтезировать и очистить этот белок и использовать его в качестве строительного блока, мы могли бы создать слой фоторецепторов, который передает соответствующую форму электрохимического сигнала в мозг через зрительный нерв. Это одеяло заменит разрушенную мозаику из колбочек и палочек, что приведет к некоторой приличной степени функционального зрения.