Жарықпен стимуляция: Биологиялық процестерді зерттеу және емдеу әдісі
Photostimulation
Жарықпен стимуляция – биологиялық процестерді зерттеу және мигрань сияқты ауруларды емдеуге арналған жаңа әдіс. Фототерапия, фотобиомодуляция туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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)
Photostimulation is the use of light to artificially activate biological compounds, cells, tissues, or even whole organisms. Photostimulation can be used to noninvasively probe various relationships between different biological processes, using only light. In the long run, photostimulation has the potential for use in different types of therapy, such as migraine headache. Additionally, photostimulation may be used for the mapping of neuronal connections between different areas of the brain by “uncaging” signaling biomolecules with light. Therapy with photostimulation has been called light therapy, phototherapy, or photobiomodulation. Photostimulation methods fall into two general categories: one set of methods uses light to uncage a compound that then becomes biochemically active, binding to a downstream effector. For example, uncaging glutamate is useful for finding excitatory connections between neurons, since the uncaged glutamate mimics the natural synaptic activity of one neuron impinging upon another. The other major photostimulation method is the use of light to activate a light sensitive protein such as rhodopsin, which can then excite the cell expressing the opsin. Scientists have long postulated the need to control one type of cell while leaving those surrounding it untouched and unstimulated. Well known scientific advancements such as the use of electrical stimuli and electrodes have succeeded in neural activation but fail to achieve the aforementioned goal because of their imprecision and inability to distinguish between different cell types. The use of optogenetics (artificial cell activation via the use of light stimuli) is unique in its ability to deliver light pulses in a precise and timely fashion. Optogenetics is somewhat bidirectional in its ability to control neurons. Channels can be either depolarized or hyperpolarized depending on the wavelength of light that targets them. For instance, the technique can be applied to channelrhodopsin cation channels to initiate neuronal depolarization and eventually activation upon illumination. Conversely, activity inhibition of a neuron can be triggered via the use of optogenetics as in the case of the chloride pump halorhodopsin which functions to hyperpolarize neurons. It has been shown that channelrhodopsin 2, a monolithic protein containing a light sensor and a cation channel, provides electrical stimulation of appropriate speed and magnitude to activate neuronal spike firing. Recently, photoinhibition, the inhibition of neural activity with light, has become feasible with the application of molecules such as the light activated chloride pump halorhodopsin to neural control. Together, blue light activated channelrhodopsin 2 and the yellow light activated chloride pump halorhodopsin enable multiple color, optical activation and silencing of neural activity. (See also Photobiomodulation)
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.
A caged protein is a protein that is activated in the presence of a stimulating light source. In most cases, photo uncaging is the technique revealing the active region of a compound by the process of photolysis of the shielding molecule (‘cage’). However, uncaging the protein requires an appropriate wavelength, intensity, and timing of the light. Achieving this is possible due to the fact that the optical fiber may be modified to deliver specific amounts of light. In addition, short bursts of stimulation allow results similar to the physiological norm. The steps of photostimulation are time independent in that protein delivery and light activation can be done at different times. This is because the two steps are dependent on each other for activation of the protein. Some proteins are innately photosensitive and function in the presence of light. Proteins known as opsins form the crux of the photosensitive proteins. These proteins are often found in the eye. In addition, many of these proteins function as ion channels and receptors. One example is when a certain wavelength of light is put onto certain channels, the blockage in the pore is relieved and allows ion transduction. To uncage molecules, a photolysis system is required to cleave the covalent bond. An example system can consist of a light source (generally a laser or a lamp), a controller for the amount of light that enters, a guide for the light, and a delivery system. Often, the design function in such a way that a medium is met between the diffusing light that may cause additional, unwanted photolysis and light attenuation; both being significant problems with a photolysis system. In 1978, J. F. Hoffman invented the term “caging”. Unfortunately, this term caused some confusion among scientists due to the fact that the term is often used to describe a molecule which is trapped within another molecule. It could also be confused with the “caged effect” in the recombination of radicals. Therefore, some authors decided to use the term “light activated” instead of “caging”. Both terms are currently in use. The first “caged molecule” synthesized by Hoffman et al. at Yale was the caged precursor to ATP derivative 1.
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.
Photostimulation is notable for its temporal precision, which may be used to obtain an accurate starting time of activation of caged effectors. In conjunction with caged inhibitors, the role of biomolecules at specific timepoints in an organism's lifecycle may be studied. A caged inhibitor of N ethylmaleimide sensitive fusion protein (NSF), a key mediator of synaptic transmission, has been used to study the time dependency of NSF. Several other studies have effected action potential firing through use of caged neurotransmitters such as glutamate. Caged neurotransmitters, including photolable precursors of glutamate, dopamine, serotonin, and GABA, are commercially available. Signaling during mitosis has been studied using reporter molecules with a caged fluorophore, which is not phosphorylated if photolysis has not occurred. The advantage of this technique is that it provides a “snapshot” of kinase activity at specific timepoints rather than recording all activity since the reporter's introduction. Calcium ions play an important signaling role, and controlling their release with caged channels has been extensively studied. Unfortunately, not all organisms produce or hold sufficient amounts of opsins. Thus, the opsin gene must be introduced to target neurons if they are not already present in the organism of study. The addition and expression of this gene is sufficient for the use of optogenetics. Possible means of achieving this include the construction of transgenic lines containing the gene or acute gene transfer to a specific area or region within an individual. These methods are known as germline transgenesis and somatic gene delivery, respectively. Optogenetics has shown significant promise in the treatment of a series of neurological disorders such as Parkinson's disease and epilepsy. Optogenetics has the potential to facilitate the manipulation and targeting of specific cell types or neural circuits, characteristics that are lacking in current brain stimulation techniques like DBS. At this point, the use of optogenetics in treating neural diseases has only been practically implemented in the field of neurobiology to reveal more about the mechanisms of specific disorders. Before the technique can be implemented to directly treat these disorders developments in other related fields such as gene therapy, opsin engineering, and optoelectronics must also make certain developments.