一種稱為光遺傳學的技術在過去十年中改變了神經科學，它允許研究人員在實驗動物中開啟和關閉特定的神經元。透過撥動這些神經開關，它為諸如抑鬱症和強迫症等疾病涉及哪些腦通路提供了線索。“光遺傳學不僅僅是曇花一現，”聖路易斯華盛頓大學的神經科學家 Robert Gereau 說。“它允許我們進行以前無法進行的實驗。這是一項真正的遊戲規則改變者，就像科學中的其他少數技術一樣。”
自從關於光遺傳學的第一批論文在 21 世紀初中期發表以來，一些研究人員一直在思考有一天將光遺傳學應用於患者，想象例如抑鬱症的關閉開關的可能性。
然而，這項技術將要求患者接受一系列高度侵入性的醫療程式：對神經元進行基因工程改造，以插入分子開關來啟用或關閉細胞，以及將光纖穿入大腦以撥動這些開關。在一系列技術進步的推動下，光遺傳學先驅卡爾·戴瑟羅思 (Karl Deisseroth) 與其他斯坦福大學研究人員一起成立了一家公司，旨在未來幾年內在患者身上進行光遺傳學試驗——這是現在正在考慮該技術臨床試驗的幾家初創公司之一。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
Circuit Therapeutics 成立於 2010 年，正在推進治療神經系統疾病的具體計劃。（它還與製藥公司合作，幫助他們在動物研究中使用光遺傳學來開發人類疾病的新型藥物靶點。）Circuit 希望開始光遺傳學治療慢性疼痛的臨床試驗，這種療法的侵入性將低於需要植入大腦深處的應用。受慢性疼痛影響的神經元相對容易接近，因為它們位於脊髓內和脊髓外，比大腦更容易成為目標。即使是皮膚中的神經末梢也可能成為目標，使其更容易觸及。“在動物模型中，它效果非常好，”斯坦福大學的神經科學家斯科特·德爾普 (Scott Delp) 說，他與戴瑟羅思合作。該公司還在努力開發帕金森氏症和其他神經系統疾病的治療方法。
人們對患者的光遺傳學和密切相關的療法的興趣正在增長。密歇根州的一家公司 RetroSense Therapeutics 報告稱，計劃很快開始對一種導致失明的遺傳疾病進行光遺傳學人體試驗。這項新技術依賴於視蛋白，視蛋白是一種離子通道，由傳導神經元電訊號的蛋白質組成。神經元包含數百種不同型別的離子通道，但視蛋白在光照下開啟。一些視蛋白存在於人類視網膜中，但光遺傳學中使用的視蛋白來源於藻類和其他生物。光遺傳學中使用的第一批視蛋白稱為通道視紫紅質，當被藍光閃爍啟用時，它們會開啟以允許帶正電荷的離子進入細胞，從而導致神經元釋放電脈衝。其他視蛋白蛋白傳遞抑制性的帶負電荷的離子以響應光，從而也可以沉默神經元。研究人員透過基因工程廣泛擴充套件了可用視蛋白的庫，例如製造在短 burst 光照下保持開啟狀態的視蛋白
在光遺傳學療法成為現實之前，主要挑戰是將視蛋白基因匯入成人人類神經元，以便在治療中成為靶標。在齧齒動物中，研究人員採用了兩種主要策略：轉基因，其中培育小鼠以在特定神經元中產生視蛋白——這種選擇不適合在人類中使用。另一種方法是使用病毒將基因植入神經元。病毒目前正被用於人類的其他型別的基因療法，但挑戰依然存在。病毒必須穿透成熟的神經元並傳遞其基因載荷，而不會引發免疫反應。然後，神經元必須在正確的位置表達視蛋白，並且必須持續製造蛋白質——理想情況下是永遠。
德爾普和其他人在病毒傳遞後透過啟用視蛋白來關閉產生疼痛的迴路，從而在齧齒動物中實現了疼痛緩解。“在將包含抑制性視蛋白基因的病毒單次注射到周圍神經兩週後，我們看到視蛋白在神經元中得到了強烈的表達，一直延伸到皮膚。我們所要做的就是照射皮膚，我們就可以抑制疼痛的觸覺和熱敏感性——這是慢性疼痛患者的主要症狀問題，”德爾普說。這項技術是否真的對人有效還有待觀察。
第二個障礙是將光傳遞到含有視蛋白的神經元，以開啟或關閉所需的腦回路。在人類中，向大腦傳遞光需要進行大型手術，但沉默傳遞疼痛的神經元的侵入性要小得多——甚至可能像貼上發光貼片一樣簡單。最近，Gereau 與伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的 John Rogers 合作，開發了植入在齧齒動物周圍神經或脊髓頂部的裝置，這些裝置是微型化的、完全可植入的，並且由射頻能量無線供電。斯坦福大學的電氣工程師 Ada Poon 與 Delp 和 Deisseroth 合作，最近開發了一種類似的無線可植入裝置，用於齧齒動物。
雖然大腦外部的神經元更容易接近，但它們也難以用光啟用，因為——就像人類一樣——實驗動物很少靜止不動，而剛性的發光裝置可能會損壞脆弱的神經組織。但 Gereau 的新裝置是柔性和可拉伸的，因此它們可以隨動物移動。研究人員確信，用於人類治療的光遺傳學現在正處於早期開發階段。“我當然相信光遺傳學具有治療潛力，”他說。在十年內，關閉疼痛神經元可能與撥動電燈開關沒有什麼不同。