ГМ-мыши с терморецепторами в глазах приобрели инфракрасное зрение

Швейцарские ученые предложили лечить нарушения зрения при помощи расширения его возможностей до инфракрасного диапазона. Для проверки концепции в сетчатке слепых мышей экспрессировали генно-модифицированные терморецепторы, которые активировали лазером. Как сообщают авторы статьи в Science, сразу после вспышки лазера мыши были способны различить объект перед собой.

Причиной потери зрения в пожилом возрасте нередко становится дегенерация фоторецепторов в сетчатке глаза. Светочувствительные клетки млекопитающих воспринимают видимый свет с длинами волн в диапазоне 390-700 нанометров. 

Исследователи из Института молекулярной и клинической офтальмологии Базеля под руководством Даниэля Хильера (Daniel Hillier) и Ботона Роски (Botond Roska) предложили необычное решение для восстановления способности ориентирования в пространстве – дополнить светочувствительные белки клеток сетчатки глаза термочувствительными каналами, которые позволили бы воспринимать инфракрасное излучение с длиной волны около 900 нанометров.

В природе такая способность есть у некоторых змей, правда инфракрасное излучение с длиной волны от 1 мкм они воспринимают не глазами, а при помощи специального органа. Визуальная и тепловая информация объединяются в мозге змеи и позволяют ей воспринимать окружающую среду с большим разрешением, чем просто при помощи зрения. При этом за восприятие температуры у них отвечают ионные каналы из семейства TRP (transient receptor potential), которые начинают проводить ток при нагревании. Теоретически эти белки можно экспрессировать в клетках сетчатки, но для их активации требуется слишком мощное излучение, которое может повредить ткани.

Чтобы усилить чувствительность TRP-каналов, биоинженеры пришили к ним аминокислотную последовательность, распознаваемую специфическим антителом. К антителу, в свою очередь, присоединили золотые наночастицы, которые усиливали бы излучение благодаря поверхностному плазмонному резонансу. Полученная система позволила бы активировать каналы излучением с меньшей энергией и обезопасить сетчатку от повреждений.

В «полевом» эксперименте исследователи использовали белок TRPV1 крысы или белок техасского полоза в комплексе с наночастицами, поглощающими в ближней инфракрасной области длины волн 915 нм, либо 980 нм. После проверки на клетках, гены модифицированного ионного канала в составе вирусного вектора вкололи в сетчатку модельных мышей. Подопытные животные несли в геноме мутацию, которая приводила к почти полной дегенерации фоторецепторов во взрослом возрасте. В результате введения вируса, примерно половина колбочек в составе сетчатки получила модифицированный TRPV1. Антитела с наночастицами вводили в глаз отдельно.

Исследователи успешно детектировали ток кальция в колбочках в присутствии наночастиц под действием излучения, а также наблюдали активацию нейронов ганглионарного слоя сетчатки. Однако на успешную работу системы указало бы только восстановление способности различать предметы у подопытных животных, и исследователи подтвердили ее следующим образом. Контрольным мышам и мышам с терморецепторами в сетчатке фиксировали голову и не давали пить некоторое время, а затем светили в глаз лазером и предлагали поилку.

Считалось, что животное может активно пользоваться поилкой, только если оно ее видит. Действительно, в эксперименте только мыши, экспрессирующие терморецепторы, начинали пить, из чего исследователи сделали вывод, что метод работает. Однако о способности ориентироваться в пространстве у таких мышей авторы статьи ничего не упомянули, поэтому можно предположить, что возможности такого «инфракрасного зрения» пока оставляют желать лучшего.

Кроме того, исследователи проверили модифицированные терморецепторы на слепой человеческой сетчатке ex vivo (то есть вне организма). Образцы сетчатки, взятые посмертно, культивировали в лаборатории, и через некоторое время они теряли способность реагировать на свет. После этого в фоторецепторах при помощи вирусной доставки экспрессировали модифицированные TRPV1 и проверяли способность реагировать на облучение при 915 нм в присутствии наночастиц. Ученые смогли детектировать токи кальция как в фоторецепторах, так и в нижележащих слоях нейронов, что означало успешную передачу сигнала.

Биоинженерия действительно уже используется для восстановления зрения у людей, хотя и в более традиционной форме. В 2017 году в США одобрили генную терапию для лечения генетически обусловленной слепоты, а недавно одну из форм врожденной слепоты попробовали исправить при помощи CRISPR. Кроме того, недавно на обезьянах опробовали способ восстановить зрение, вообще минуя фоторецепторы – светочувствительный белок опсин экспрессировали прямо в нейронах ганглионарного слоя сетчатки.

Дарья Спасская