Все оказалось на удивление просто. В Калифорнийском Университете в Беркли ученые ввели ген рецептора зеленого света в глаза слепых мышей, и месяц спустя они с легкостью обходили препятствия без проблем, как обычные, здоровые, зрячие мыши. Они могли видеть движение, изменения яркости в тысячекратном диапазоне и мелкие детали, достаточные для различения букв.
Исследователи говорят, что в течение трех лет генная терапия, доставляемая через инактивированный вирус, может быть опробована на людях, которые потеряли зрение из-за дистрофии сетчатки. Это должно помочь восстановить зрение в достаточном объеме для передвижения и в перспективе восстановить возможность читать или смотреть видео.
«Мы вводим этот вирус в глаз человека, и через пару месяцев он уже начнет видеть», — сказал Эхуд Исаков, профессор молекулярной и клеточной биологии Университета Беркли и директор Института Нейробиологии Хелен Уиллс. «При нейродегенеративных заболеваниях сетчатки все люди стараются хотя бы остановить или замедлить дальнейшее течение болезни. Но подумайте о том, что есть возможность восстанавливать зрение — это же удивительно.»
Около 170 миллионов человек во всем мире живут с возрастной макулярной дегенерацией, которая поражает одного из 10 человек в возрасте старше 55 лет, в то время как 1,7 миллиона человек во всем мире имеют наиболее распространенную форму наследственной слепоты, пигментный ретинит, который обычно оставляет людей слепыми к 40 годам.
«У меня есть друзья, которые страдают отсутствием реакции на свет, и за ними мучительно больно наблюдать», — сказал Джон Фланнери, профессор молекулярной и клеточной биологии Университета Беркли, который находится на факультете оптометрии. — «Они должны серьезно относиться к тем вещам, которые для зрячих людей являются само собой разумеющимися. Например, каждый раз, когда они заходят в новое помещение, оно будет отличается от других, и им нужен кто-то, чтобы ходил по комнатам и помогал им, пока они рисуют 3D-карту у себя своей голове. Такие повседневные предметы, как низкий журнальный столик, могут быть для них очень опасны. Люди с тяжелыми формами заболеваний зрения и инвалиды по зрению могут стать первыми кандидатами на этот вид терапии.»
В настоящее время единственным вариантом для таких пациентов — это электронный глазной имплант, подключенный к видеокамере, которая встроена в очки — это непростая, дорогостоящая операция, которая в итоге выдает изображение на сетчатку эквивалентное нескольким сотням пикселей. Нормальное острое зрение включает в себя миллионы пикселей.
Исправление генетического дефекта, ответственного за дистрофию сетчатки, также не является простым, поскольку существует более 250 различных генетических мутаций, ответственных только за пигментный ретинит. Около 90% из них убивают фоторецепторные клетки сетчатки — палочки, чувствительные к тусклому свету, и колбочки для восприятия дневного света. Но дегенерация сетчатки обычно щадит другие слои клеток сетчатки, включая биполярные и ганглиозные клетки сетчатки, которые могут оставаться здоровыми, хотя и нечувствительными к свету, в течение десятилетий после того, как люди становятся полностью слепыми.
В своих испытаниях на мышах команде UC Berkeley удалось сделать 90 процентов ганглиозных клеток светочувствительными.
Чтобы обратить вспять слепоту у этих мышей, исследователи разработали вирус, нацеленный на ганглиозные клетки сетчатки и загрузили в него ген для светочувствительного рецептора, зеленого (средней длины волны) опсина колбочки. Нормально, этот опсин выражен только клетками фоторецептора колбочки и делает их чувствительным к зелено-желтому свету. При введении в глаз вирус переносил ген в ганглиозные клетки, которые обычно нечувствительны к свету, и делал их светочувствительными и способными посылать сигналы в мозг, которые интерпретировались как зрение.
«Вы не сможете отличить поведение оптогенетически обработанных мышей от нормальных мышей без специального оборудования», — сказал Фланнери. — Посмотрим, какие результаты можно будет получить у людей.»
У мышей исследователи смогли доставить опсины большинству ганглиозных клеток сетчатки. Чтобы лечить людей, им нужно было бы ввести гораздо больше вирусных частиц, потому что человеческий глаз содержит в тысячи раз больше ганглиозных клеток, чем мышиный глаз. Но команда UC Berkeley разработала средства для повышения вирусной доставки и надеется вставить новый «датчик света» в аналогично высокий процент клеток ганглия, количество, эквивалентное камерам с очень высоким разрешением матрицы.
Исаков и Фланнери пришли к простому решению после более чем десяти лет испытаний более сложных схем, включая введение в выжившие клетки сетчатки комбинаций генетически сконструированных рецепторов нейротрансмиттеров и светочувствительных химических переключателей. Они работали, но не достигали чувствительности нормального зрения. Опсины из микробов проверенные на других тестах, также имели более низкую чувствительность, требующую очки со светоусилением.
Чтобы получить высокую чувствительность естественного зрения, Исаков и Фланнери обратились к световым рецепторам опсинов фоторецепторных клеток. Используя адено-ассоциированный вирус (AAV), который естественным образом заражает ганглиозные клетки, Фланнери и Исаков успешно доставили ген опсина сетчатки в геном ганглиозных клеток. Ранее слепые мыши приобрели зрение, которое не ухудшилось в течение всей их, хоть и короткой, жизни.
«То, что этот механизм работает, на самом деле более чем отлично, отчасти еще и потому, что он очень прост», — сказал Исаков. «По иронии судьбы, мы могли бы сделать это еще 20 лет назад.»
Исаков и Фланнери собирают средства, чтобы испытать эту генную терапию на людях в течение ближайших трех лет. Подобные системы доставки AAV были одобрены FDA для глазных заболеваний у людей с дегенеративными состояниями сетчатки и у которых нет медицинской альтернативы.
Согласно Фланнери и Исакову, большинство людей задались бы вопросом, могут ли опсины работать вне специализированных палочковых и колбочковых фоторецепторных клеток. Поверхность фоторецептора оснащена опсинами — родопсином в палочках, и красными, зелеными и синими опсинами в колбочках — которые встроены в сложную молекулярную машину. Молекулярное реле — сигнальный каскад G-белковых рецепторов — усиливает сигнал настолько эффективно, что мы можем обнаружить одиночные фотоны света. Ферментная система перезаряжает опсин, как только он обнаружил фотон и становится «отбеленным». «Регулирование обратной связи адаптирует систему к очень разным фоновым яркостям. И специализированный ионный канал генерирует мощный сигнал напряжения. Без пересадки всей этой системы было разумно подозревать, что опсин не будет работать.
Но Исаков, который специализируется на рецепторах, связанных с белком G в нервной системе, знал, что многие из этих частей существуют во всех клетках. Он подозревал, что опсин автоматически подключается к сигнальной системе ганглиозных клеток сетчатки. Вместе с Фланнери он сначала попробовал родопсин, который более чувствителен к свету, чем опсины колбочек.
К их восторгу, когда родопсин был введен в ганглиозные клетки мышей, чьи палочки и колбочки полностью выродились и которые, следовательно, были слепы, животные восстановили способность отличать темноту от света — даже слабый свет в комнате. Но родопсин оказался слишком медленным и не помог мышам распознавать изображение и объекты.
Затем они попробовали зеленый опсин колбочки, который реагировал в 10 раз быстрее, чем родопсин. Примечательно, что мыши умели отличать параллельные линии от горизонтальных, линии, расположенные близко друг от друга (стандартная задача для остроты зрения человека), движущиеся линии от неподвижных. Восстановленное зрение было настолько чувствительным, что iPad можно было использовать для демонстрации визуальных тестов вместо гораздо более ярких светодиодов.
«В конце концов, как замечательно было бы для слепых людей вернуть способность читать, общаться по видео через компьютер, смотреть фильмы» — сказал Исаков.
Эти успехи заставили Исакова и Фланнери пойти еще дальше и выяснить, могут ли животные ориентироваться в мире с восстановленным зрением. Поразительно, но и здесь зеленый опсин колбочки имел успех. Слепые мыши вновь обрели способность выполнять одно из своих самых естественных действий: распознавать и исследовать трехмерные объекты.
Затем они задались вопросом: «Что произойдет, если человек с восстановленным зрением выйдет на улицу в более яркий свет? Ослепнет ли он от света? «Здесь появилась еще одна поразительная особенность системы, — сказал Исаков: зеленый опсин колбочки способен адаптироваться. Животные, которые ранее были слепыми, адаптировались к изменению яркости и могли выполнять эту задачу так же хорошо, как и зрячие животные. Эта адаптация работала в диапазоне около тысячекратной разницы, для примера, между обычным комнатным освещением и наружным дневным освещением.
«Когда все говорят, что это никогда не сработает, и что вы сумасшедший, обычно это означает, что мы на правильном пути», — сказал Фланнери. Действительно, это чем то похоже на первое успешное восстановление зрения на уровне видимости предметов на экране компьютера, первую адаптацию к изменения освещения и первое восстановление естественного зрения.
Команда UC Berkeley сейчас работает над тестированием вариаций на тему, которые могли бы восстановить цветовое зрение и еще больше повысить остроту зрения и адаптацию.
Источник: University of California — Berkeley