La fotoestimulación es el uso de luz para activar artificialmente compuestos biológicos, células , tejidos o incluso organismos completos . La fotoestimulación se puede utilizar para sondear de forma no invasiva diversas relaciones entre diferentes procesos biológicos, utilizando solo luz. A largo plazo, la fotoestimulación tiene el potencial de usarse en diferentes tipos de terapia, como la migraña . Además, la fotoestimulación se puede utilizar para el mapeo de conexiones neuronales entre diferentes áreas del cerebro "desencadenando" biomoléculas de señalización con luz. [1] La terapia con fotoestimulación se ha denominado fototerapia., fototerapia o fotobiomodulación.
Los métodos de fotoestimulación se dividen en dos categorías generales: un conjunto de métodos utiliza luz para sacar un compuesto que luego se vuelve bioquímicamente activo y se une a un efector posterior. Por ejemplo, el glutamato no enjaulado es útil para encontrar conexiones excitadoras entre neuronas, ya que el glutamato no enjaulado imita la actividad sináptica natural de una neurona que incide sobre otra. El otro método importante de fotoestimulación es el uso de luz para activar una proteína sensible a la luz como la rodopsina , que luego puede excitar la célula que expresa la opsina.
Los científicos han postulado durante mucho tiempo la necesidad de controlar un tipo de célula y dejar las que la rodean intactas y sin estimular. Los avances científicos bien conocidos, como el uso de estímulos eléctricos y electrodos, han tenido éxito en la activación neuronal, pero no logran el objetivo antes mencionado debido a su imprecisión e incapacidad para distinguir entre diferentes tipos de células. [2] El uso de optogenética (activación de células artificiales mediante el uso de estímulos de luz) es único en su capacidad para entregar pulsos de luz de manera precisa y oportuna. La optogenética es algo bidireccional en su capacidad para controlar las neuronas. Los canales pueden despolarizarse o hiperpolarizarse según la longitud de onda de la luz que los dirige. [3] Por ejemplo, la técnica se puede aplicar a los canales de cationes canalrodopsina para iniciar la despolarización neuronal y, finalmente, la activación tras la iluminación. Por el contrario, la inhibición de la actividad de una neurona puede desencadenarse mediante el uso de optogenéticos, como en el caso de la bomba de cloruro, la clorhodopsina, que funciona para hiperpolarizar las neuronas. [3]
Sin embargo, antes de que se pueda realizar la optogenética, el sujeto en cuestión debe expresar los canales objetivo. Naturales y abundantes en microbios, las rodopsinas, incluidas la bacteriorrodopsina, la halorhodopsina y la canalrodopsina, tienen cada una un espectro de acción característico diferente que describe el conjunto de colores y longitudes de onda a los que responden y son impulsados a funcionar. [4]
Se ha demostrado que la canalrodopsina-2 , una proteína monolítica que contiene un sensor de luz y un canal de cationes, proporciona estimulación eléctrica de la velocidad y magnitud adecuadas para activar la activación de picos neuronales. Recientemente, la fotoinhibición , la inhibición de la actividad neural con la luz, se ha vuelto factible con la aplicación de moléculas como la halodopsina de bomba de cloruro activada por luz para el control neural. Juntos, la canalrodopsina-2 activada por luz azul y la bomba de cloruro activada por luz amarilla halodopsina permiten la activación óptica de múltiples colores y el silenciamiento de la actividad neuronal. (Ver también Fotobiomodulación )
Métodos
Una proteína enjaulada es una proteína que se activa en presencia de una fuente de luz estimulante. En la mayoría de los casos, el fotodesencajado es la técnica que revela la región activa de un compuesto mediante el proceso de fotólisis de la molécula protectora ("jaula"). Sin embargo, liberar la proteína requiere una longitud de onda, una intensidad y una sincronización adecuadas de la luz . Lograr esto es posible debido al hecho de que la fibra óptica puede modificarse para entregar cantidades específicas de luz. Además, breves ráfagas de estimulación permiten resultados similares a la norma fisiológica. Los pasos de la fotoestimulación son independientes del tiempo, ya que el suministro de proteínas y la activación de la luz se pueden realizar en diferentes momentos. Esto se debe a que los dos pasos dependen uno del otro para la activación de la proteína. [5]
Algunas proteínas son fotosensibles de forma innata y funcionan en presencia de luz. Las proteínas conocidas como opsinas forman el quid de las proteínas fotosensibles. Estas proteínas se encuentran a menudo en el ojo. Además, muchas de estas proteínas funcionan como receptores y canales iónicos . Un ejemplo es cuando se coloca una cierta longitud de onda de luz en ciertos canales, el bloqueo en el poro se alivia y permite la transducción de iones. [6]
Para liberar moléculas, se requiere un sistema de fotólisis para romper el enlace covalente . Un sistema de ejemplo puede consistir en una fuente de luz (generalmente un láser o una lámpara), un controlador para la cantidad de luz que ingresa, una guía para la luz y un sistema de entrega. A menudo, el diseño funciona de tal manera que se encuentra un medio entre la luz difusa que puede causar fotólisis adicional no deseada y atenuación de la luz; ambos son problemas importantes con un sistema de fotólisis. [5]
Historia
La idea de la fotoestimulación como método para controlar la función de las biomoléculas se desarrolló en la década de 1970. Dos investigadores, Walther Stoeckenius y Dieter Oesterhelt descubrieron una bomba de iones conocida como bacteriorrodopsina que funciona en presencia de luz en 1971. [7] En 1978, JF Hoffman inventó el término "enjaulado". Desafortunadamente, este término causó cierta confusión entre los científicos debido al hecho de que el término se usa a menudo para describir una molécula que está atrapada dentro de otra molécula. También podría confundirse con el "efecto enjaulado" en la recombinación de radicales. Por lo tanto, algunos autores decidieron utilizar el término "activado por luz" en lugar de "enjaulado". Ambos términos están actualmente en uso. La primera "molécula enjaulada" sintetizada por Hoffman et al. en Yale fue el precursor enjaulado del derivado 1 de ATP . [8]
Aplicaciones
La fotoestimulación destaca por su precisión temporal, que puede utilizarse para obtener un tiempo de inicio preciso de la activación de los efectores enjaulados. Junto con los inhibidores enjaulados , se puede estudiar el papel de las biomoléculas en momentos específicos del ciclo de vida de un organismo. Se ha utilizado un inhibidor enjaulado de la proteína de fusión sensible a la N-etilmaleimida (NSF), un mediador clave de la transmisión sináptica, para estudiar la dependencia del tiempo de la NSF. [9] Varios otros estudios han efectuado la activación del potencial de acción mediante el uso de neurotransmisores enjaulados como el glutamato. [10] [11] Los neurotransmisores enjaulados, incluidos los precursores fotolables de glutamato , dopamina , serotonina y GABA , están disponibles comercialmente. [12]
La señalización durante la mitosis se ha estudiado utilizando moléculas indicadoras con un fluoróforo enjaulado , que no se fosforila si no se ha producido fotólisis. [13] La ventaja de esta técnica es que proporciona una “instantánea” de la actividad de la quinasa en momentos específicos en lugar de registrar toda la actividad desde la presentación del reportero.
Los iones de calcio juegan un papel importante en la señalización y se ha estudiado ampliamente el control de su liberación con canales enjaulados. [14] [15] [16]
Desafortunadamente, no todos los organismos producen o retienen cantidades suficientes de opsinas. Por lo tanto, el gen de la opsina debe introducirse en las neuronas diana si aún no están presentes en el organismo de estudio. La adición y expresión de este gen es suficiente para el uso de optogenética. Los posibles medios para lograr esto incluyen la construcción de líneas transgénicas que contienen el gen o la transferencia aguda del gen a un área o región específica dentro de un individuo. Estos métodos se conocen como transgénesis de la línea germinal y administración de genes somáticos, respectivamente. [17]
La optogenética se ha mostrado muy prometedora en el tratamiento de una serie de trastornos neurológicos como la enfermedad de Parkinson y la epilepsia. La optogenética tiene el potencial de facilitar la manipulación y la orientación de tipos de células o circuitos neuronales específicos, características que faltan en las técnicas actuales de estimulación cerebral como la estimulación cerebral profunda. En este punto, el uso de la optogenética en el tratamiento de enfermedades neuronales solo se ha implementado de manera práctica en el campo de la neurobiología para revelar más sobre los mecanismos de trastornos específicos. Antes de que la técnica pueda implementarse para tratar directamente estos trastornos, los desarrollos en otros campos relacionados, como la terapia génica, la ingeniería de opsina y la optoelectrónica, también deben realizar ciertos desarrollos. [18]
Referencias
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enlaces externos
- Fotoestimulación mediadora de canalrodopsina y halorhodopsina
- Centro de recursos de optogenética