Как лазером расшевелить нейрон

Устройство так называемого натриевого насоса клеточной мембраны. Ионные каналы играют здесь главную роль.
Источник: mb.au.dk

Современная медицина все больше овладевает неинвазивными методами диагностики и лечения, в чем ей по мере сил помогают нанотехнологии. Один из таких методов – оптогенетика. Суть оптогенетических процедур заключается в следующем.

В мембрану-оболочку нервной клетки встраивают молекулу светочувствительного протеина, ген которого берется от примитивной морской водоросли. Затем этот белок освещают лазерным лучом. В результате в нейрон сквозь его мембрану поступает сигнал и в цитоплазме запускается целый каскад химических реакций, передающий импульс в ядро клетки. А уже в ядре включаются соответствующие гены.

Используя этот метод, недавно удалось «запустить» мышечное моторное поведение у мышей, которое характерно для животных с моделью болезни Паркинсона с присущей ей дрожанием конечностей и головы. Однако, как можно судить даже из краткого описания оптогенетического метода, он сложен и достаточно дорог. Вполне возможно, что в оболочку нервных клеток ничего и не надо будет встраивать, поскольку в ней и так предостаточно разного рода белковых молекул (рецепторов), воспринимающих сигналы извне. Нанобиотехнология предлагает в полной мере воспользоваться этой возможностью не только для изучения, но и управления реакцией нейронов.

Журнал Nature Nanotechnology поместил две статьи с описанием нового метода управления так называемыми ионными каналами нейронов температурной чувствительности. Управление это происходит с помощью углеродных наночастиц, активируемых с помощью фемтосекундных (10–15 с) лазерных импульсов.

Известно, что есть нервные клетки болевой чувствительности, реагирующие на горячее и холодное. Их термочувствительными датчиками являются молекулы белковых рецепторов, пронизывающие мембрану клетки. Подобные рецепторы или имеют собственный ионный канал или тесно с таковым связаны. По получении температурного сигнала канал открывается, в результате чего в нервную клетку устремляются ионы кальция. Они-то и запускают ферментативный каскад, что в итоге и ведет к генерации нервного импульса, поступающего в мозг.

Это уникальное свойство каналов и решили использовать ученые, которые с помощью активированных сверхкороткими лазерными импульсами углеродных частиц хотят стимулировать клеточное «потребление» для доставки в нейроны небольших молекул, протеинов и даже «лечебной» ДНК для лечения, например, паркинсонизма и болезни Альцгеймера. Удобство и преимущество подобного подхода заключается в сохранении высокой степени жизнеспособности весьма чувствительных к внешним воздействиям нервных клеток.

Однако подобный подход пока что возможен лишь в эксперименте, хотя никто не против использования нанолазеров, «подводимых» к поверхности нейронов. Но это перспектива пусть и близкого, но будущего, а сейчас предложено активировать наночастицы с помощью радиочастотных колебаний магнитного поля, хорошо освоенных специалистами по томографии.

Таким образом, к достаточно уже богатому арсеналу способов и методов манипулирования нейронной активностью добавился и принципиально новый нанобиотехнологический, использующий высокую специфичность протеиновых молекул оболочки нервных клеток. Тем самым сделан еще один шаг в сторону от проторенной дорожки классических методов нейро- и электрофизиологии. А там, глядишь, действительно и до биороботов будет недалеко.