Кіріспе

Фотостимуляция – биологиялық қосылыстарды, жасушаларды, тіндерді тіпті бүкіл организмдерді жасанды түрде белсендіру үшін жарықты пайдалану. Фотостимуляция жарық арқылы ғана әртүрлі биологиялық процестер арасындағы байланыстарды инвазивті емес түрде зерттеуге мүмкіндік береді. Уақыт өте келе фотостимуляция мигрень бас ауруы сияқты түрлі терапияларда қолданылуы мүмкін. Сонымен қатар, фотостимуляция мидың әртүрлі аймақтары арасындағы нейрондық байланыстарды жарықпен биомолекулаларды «босату» арқылы картаға түсіру үшін пайдаланылуы мүмкін. Фотостимуляциямен емдеуді жарық терапиясы, фототерапия немесе фотобиомодуляция деп атайды. Фотостимуляция әдістері екі негізгі санатқа бөлінеді: бір топ әдістер жарықты қосылысты босату үшін пайдаланады, содан кейін ол биохимиялық белсенді болып, төменгі деңгейдегі эффектке байланысады. Мысалы, глутаматты босату нейрондар арасындағы оңай қоздырылатын байланыстарды табуға көмектеседі, себебі босатылған глутамат бір нейронның екіншісіне әсер етуінің табиғи синапстық белсенділігін имитациялайды. Фотостимуляцияның тағы бір маңызды әдісі – опсинді экспрессиялайтын жасушаны қоздыра алатын родопсин сияқты жарыққа сезімтал белокты белсендіру үшін жарықты пайдалану. Ғалымдар ұзақ уақыттан бері бір жасушаны басқару және оның айналасындағыларын өзгеріссіз қалдыру қажеттігін айтады. Электрлік стимуляция және электродтарды қолдану сияқты ғылыми жетістіктер нейрондық белсенділікті арттыруға мүмкіндік берді, бірақ жоғарыда аталған мақсатқа қол жеткізе алмады, себебі олардың дәлдігі жеткіліксіз және әртүрлі жасуша түрлерін ажырата алмауы. Оптогенетика (жарық стимулдары арқылы жасушаларды жасанды түрде белсендіру) жарық импульстарын дәл және уақтылы жеткізу қабілетімен ерекшеленеді. Оптогенетика нейрондарды басқару мүмкіндігі жағынан екі бағытты. Каналдар нысанаға алынған жарықтың толқын ұзындығына байланысты деполяризацияланады немесе гиперполяризацияланады. Мысалы, бұл әдіс нейрондық деполяризацияны бастау және жарықтандыру кезінде белсенділігін арттыру үшін каналродопсин катиондық каналдарына қолданылуы мүмкін. Керісінше, нейронның белсенділігін тежеу оптогенетиканы қолдану арқылы, мысалы, хлоридтік насос галородопсин арқылы нейрондарды гиперполяризациялау арқылы іске қосылуы мүмкін. Жарық сенсоры мен катиондық каналды қамтитын монолиттік ақуыз – channelrhodopsin 2 нейрондық импульстың іске қосылуы үшін қажетті жылдамдық пен амплитудада электрлік стимуляцияны қамтамасыз ететіні дәлелденді. Жақында жарықпен жүйке белсенділігін тежеу, яғни фотоингибиция, жүйке бақылауы үшін жарық белсенді хлоридтік насос галородопсин сияқты молекулаларды қолдану арқылы мүмкін болды. Көк жарықпен белсендірілген channelrhodopsin 2 және сары жарықпен белсендірілген хлоридтік насос галородопсин бірлесіп, нейрондық белсенділікті бірнеше түстермен оптикалық түрде белсендіруге және тоқтатуға мүмкіндік береді. (Сондай-ақ фотобиомодуляцияны қараңыз)

Әдістер

Қабықшаланған ақуыз – стимуляциялық жарық көзінің әсерімен белсендірілетін ақуыз. Көп жағдайда фотоашылу – қорғаныш молекуласының фотолизі (қабықша) арқылы қосылыстың белсенді аймағын ашу әдісі. Дегенмен, ақуызды қабықшадан шығару үшін жарықтың сәйкес толқын ұзындығы, қарқындылығы және уақыты қажет. Мұны оптикалық талшықтың белгілі бір мөлшерде жарық беруге бейімделуі арқасында іске асыруға болады. Сонымен қатар, қысқа импульстік стимуляциялар физиологиялық нормаға жақын нәтижелерге мүмкіндік береді. Фотостимуляцияның кезеңдері уақытқа тәуелсіз, яғни ақуызды жеткізу және жарықпен белсендіру әртүрлі уақытта жүзеге асырылуы мүмкін. Өйткені екі кезең де ақуызды белсендіру үшін бір-біріне байланысты. Кейбір ақуыздар табиғатынан жарыққа сезімтал және жарық болғанда ғана жұмыс істейді. Опсин деп аталатын ақуыздар – жарыққа сезімтал ақуыздардың негізгі құрауы. Бұл ақуыздар көбінесе көзге орналасқан. Сонымен қатар, осы ақуыздардың көпшілігі иондық каналдар мен рецепторлар ретінде жұмыс істейді. Мысалы, белгілі бір толқын ұзындығындағы жарық белгілі бір каналдарға түскенде, канал ішіндегі кедергі азайып, иондардың өтуіне мүмкіндік туады. Молекулаларды қабықшадан шығару үшін ковалентті байланысты үзуге қабілетті фотолиз жүйесі қажет. Мұндай жүйе жарық көзінен (әдетте лазер немесе шам), кіретін жарық мөлшерін реттегіштен, жарықты бағыттаушы құралдан және жеткізу жүйесінен тұруы мүмкін. Көбінесе, мұндай жүйенің дизайны диффузиялық жарық пен жарық ослабюы арасындағы орташа жағдайды қамтамасыз етеді; екеуі де фотолиз жүйесі үшін маңызды проблемалар болып табылады. 1978 жылы Дж. Ф. Хоффман «қабықшалау» терминін енгізді. Алайда, бұл термин ғалымдар арасында шатасу тудырды, себебі ол басқа молекуланың ішінде тұтқындалған молекуланы сипаттау үшін де қолданылады. Сонымен қатар, ол радикалдардың рекомбинациясындағы «қабықша тәсірімен» шатастырылуы мүмкін. Сондықтан кейбір авторлар «қабықшалау» терминінің орнына «жарықпен белсендірілген» терминін қолдануға бейімділік танытты. Қазіргі таңда екі термин де қолданыста. Хоффман және әріптестері синтездеген алғашқы «қабықшаланған молекула» – АТФ 1 туындысының қабықшаланған прекурсоры болды.

Қолданбалар

Фотостимуляция уақыттық дәлдігімен ерекшеленеді, оны қамалған эффекттердің белсендірілу уақытын нақты анықтау үшін пайдалануға болады. Қабықшадағы тежегіштермен бірге организмнің өмірлік цикліндегі белгілі бір уақыттарда биомолекулалардың атқаратын рөлін зерттеуге болады. Синаптық берілудің маңызды медиаторы болып табылатын N-этилмалеимидке сезімтал синтез ақуызын (NSF) қақпақтайтын тежегіш, NSF-тің уақытқа тәуелділігін зерттеу үшін қолданылды. Басқа бірнеше зерттеулер глутамат сияқты қақпақталған нейротрансмиттерлерді пайдалану арқылы әрекет потенциалын тудыруға әсер етті. Глютамат, допамин, серотонин және ГАМК-ның фотолабильді прекурсорларын қамтитын қақпақталған нейротрансмиттерлер коммерциялық түрде қол жетімді. Митоз кезіндегі сигнал беруді қақпақталған флюороформен жабдықталған репортерлік молекулаларды қолдану арқылы зерттеуге болады, бұл флюорофор фотолиз болмаған жағдайда фосфорилиленбейді. Бұл техниканың артықшылығы – ол репортердің енгізілген сәтінен бастап барлық белсенділікті тіркеудің орнына, белгілі бір уақыттардағы киназа белсенділігінің «суретін» ұсынады. Кальций иондары маңызды сигнал беру рөлін атқарады және оларды қақпақталған арналар арқылы босатуды бақылау кеңінен зерттелді. Өкінішке орай, барлық организмдер жеткілікті мөлшерде опсин өндірмейді немесе сақтап тұрмайды. Сондықтан, егер зерттелетін организмде опсин гендері болмаса, оларды мақсатты нейрондарға енгізу қажет. Бұл генді қосу және экспрессиялау оптогенетиканы қолдану үшін жеткілікті. Мұны жүзеге асырудың мүмкін жолдарына генді қамтитын трансгендік желілерді құру немесе жеке организмнің белгілі бір аймағына немесе бөлігіне генді тікелей жеткізу кіреді. Бұл әдістер сәйкесінше ұрпақтан ұрпаққа берілетін трансгенез және соматикалық генді жеткізу деп аталады. Оптогенетика Паркинсон ауруы және эпилепсия сияқты бірқатар неврологиялық ауруларды емдеуде үлкен үміттер тудырды. Оптогенетика нақты жасуша түрлерін немесе нейрондық тізбектерді манипуляциялау және нысанаға алу мүмкіндігін ұсынады, бұл қазіргі ми стимуляциясы әдістері, мысалы, терең ми стимуляциясы (DBS) сияқты, жоқ мүмкіндік. Қазіргі уақытта оптогенетиканы жүйке ауруларын емдеу үшін қолдану нейробиология саласында ғана жүзеге асырылды, бұл нақты аурулардың механизмдері туралы көбірек білуге мүмкіндік береді. Бұл техниканы тікелей осы ауруларды емдеу үшін қолдануға кіріспес бұрын, гендік терапия, опсин инженериясы және оптоэлектроника сияқты басқа да байланысты салаларда да жетістіктер болуы керек.