رویکردهای اپتوژنتیکی برای بازیابی حس شنوایی (اپتوژنتیک حلزونی)

پیرو مطالب پیشین، در این بخش قصد داریم مطالبی هر چند اندک درباره‌ی اپتوژنتیک حلزونی در اختیار شما عزیزان قرار بدهیم.

میلیون‌ها نفر در سراسر جهان از ناتوانی‌های شنوایی رنج می‌برند. با این حال، درمان مشخصی برای نقص شنوایی حسی-عصبی، شایع‌ترین نوع این ناتوانی‌ها، وجود ندارد. بهمین دلیل، تجهیزات کمک شنوایی و پروتزهای شنوایی تنها روش برای بازیابی عملکرد شنوایی در بسیاری از افراد مبتلا به نقص شنوایی است.

مطالعه بیشتر: اپتوژنتیک در مطالعات حیوانی

حلزونهای قابل کاشت (CIs) با تحریک الکتریکی مستقیم نورونهای گانگلیون مارپیچی (SGNs)، ارگان حسی کورتی فاقد عملکرد را از مسیر حس شنوایی خارج می‌کند. حلزونهای قابل کاشت باعث بازگشت درک شنوایی در بسیاری از افراد ناشنوا یا مبتلا به نقص گسترده شنوایی می‌شود. با این حال، کیفیت شنوایی توسط حلزونهای الکتریکی قابل کاشت پایین است؛ به بیان دیگر، صدای محیط بر ادراک سخن تاثیر گذاشته و کیفیت آن را کاهش می‌دهد. همچنین کدگذاری اطلاعاتی توسط CIs با توجه به شدت صوت، محدود است. بطوریکه بازه‌ی دینامیک خروجی آنها معمولا زیر ۱۰ دسی‌بل است. افزایش فرکانس و وضوح شدت کدگذاری شنوایی توسط CIs، یک هدف مهم برای ارتقای کیفیت شنوایی و ادراک سخن است.

محققان انتظار دارند تحریک نوری باعث افزایش قابل توجه وضوح فرکانس در کدگذاری CI گردد؛ زیرا نور، امکان فعالسازی محدود فضایی SGNs را فراهم می‌سازد، و بهمین ترتیب باعث غلبه بر محدودیتهای حلزونهای قابل کاشت کنونی می‌شود.

بعلاوه، فعالسازی جمعیت کوچکی از نورونها باعث بکارگیری کانالهای متفاوت مجاور می‌گردد که گسترده‌تر شدن بازه‌ی دینامیک کدگذاری را در پی دارد. در نهایت، می‌توان تحریک نوری را در یک حلقه بسته و به همراه ثبت الکتریکی فعالیت عصبی، کنترل کرد.

پیشرفتهای اخیر در اپتوالکترونیک، امکان تحریک نوری طراحی شده را فراهم آورده‌است. دیودهای ساطع کننده نور در بازه‌ی میکرومتر (µLED) می‌توانند برای متمرکز ساختن نور ساطع شده، مورد استفاده قرار گیرند.

اکنون، دو استراتژی جایگزین برای ساخت نسل جدید حلزونهای قابل کاشت بر پایه‌ی تحریک نوری SGNs وجود دارد.

در اولین استراتژی، از امواج فروسرخ برای تحریک SGNs استفاده می‌شود. نور فروسرخ ضرباندار باعث تغییر بار سطحی غشای نورونی شده و آغاز پتانسیلهای عمل را منجر می‌شود. با این حال، انرژی مورد نیاز برای هر کانال یونی و هر ضربان تحریکی در این روش، از انرژی مورد نیاز در کاشتهای بالینی، بیشتر است.

در استراتژی دوم، تحریک نوری SGNs که چنل‌رودوپسین میکروبی را بیان کرده، ۱) نیاز به انرژی کمتری دارند؛ ۲) امکان استفاده از ابزارهای بیشتر (ازجمله LEDs) برای کدگذاری نوری را فراهم می‌آورد؛ و ۳) امکان بهینه سازی مولکولی پاسخ نوری SGNs را فراهم می‌کند.

با تمام این اوصاف، اپتوژنتیک حلزونی از توانایی لازم برای تبدیل شدن به یک ابزار کارآمد در علوم اعصاب شنوایی برخوردار است. اپتوژنتیک حلزونی در مطالعات تکامل سیستم شنوایی، عملکرد این سیستم و اختلالات عملکردی آن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مطالعات بر روی اپتوژنتیک حلزونی

محققان اخیرا ChR2 یا یکی از انواع آن تحت عنوان CatCh را در SGNs موشهای ترانس ژنیک بیان کرده‌اند. در این مطالعات، امکان بهره گیری از اپتوژنتیک در سطح تک نورونی و جمعیت نورونی مورد بررسی قرار گرفته‌است.

در این مطالعات، تحریک مخصوص مسیر شنوایی، بازیابی پاسخهای سیستم شنوایی در موشهای ناشنوا، و انتقال ژن‌های پروتئینهای حساس به نور با واسطه‌ی AAV انجام شده‌است. همچنین اپتوژنتیک حلزونی موفق به تحریک نورونهای منفرد SGNs که CatCh را بیان می‌کردند و تحریک متعاقب نورونهای کولیکولوس تحتانی گردیده است. نکته شایان ذکر اینکه در این مطالعات از استراتژی‌های تحریکی ترانس‌کوکلئار و اینتراکوکلئار با بهره گیری از µLED استفاده شده است. همچنین مورفولوژی حلزون شنوایی موش توسط توموگرافی X-ray مورد مطالعه قرار گرفت. نکته قابل توجه اینکه در این مطالعات برای اولین بار، تحریک‌کننده‌های µLED قابل کاشت برای مطالعات رفتاری و تحریک فیبری طولانی مدت تولید شدند.

اهداف مطالعات کنونی و آینده بر روی اپتوژنتیک حلزونی

1. انتقال ژن ویروسی کارآمد، طولانی مدت و ایمن پس از تولد به نورونهای شنوایی جوندگان و نهایتا پریماتها.
2. شناسایی/ تولید چنل‌رودوپسینهایی با ویژگی‌های مناسب برای بازیابی اپتوژنتیکی شنوایی.
3. پیشرفتهای تکنولوژی کاشتهای چند کانالی فعال و منفعل و مطالعات جای‌گذاری، جهت گیری و تابش نور بر آنها.
4. توسعه‌ی استراتژی‌های کنترل الکتریکی و کدگذاری برای تحریک نوری چند کانالی.
5. توصیف ویژگی‌های فیزیولوژیک تحریک اپتوژنتیکی حلزون بصورت in vitro و in vivo در درجات مختلف مسیر شنوایی، با هدف شناسایی پهنای باند زمانی و اعتبار پاسخهای اپتوژنتیکی نورونهای گانگلیون مارپیچی و تعیین میزان گسترش تحریک عصبی در حلزون (بعنوان تخمینی برای وضوح فرکانس کدگذاری نوری).
6. مطالعات رفتاری برای مشخص کردن ویژگی‌های ادراکی تحریک نوری در مقایسه با تحریک صوتی و/ یا الکتریکی در جوندگان، و نهایتا در پریماتها.
7. کارآمد بودن و ایمنی تحریک طولانی مدت اپتوژنتیکی حلزون در حیوانات بزرگتر، که در نهایت پریماتهای غیر انسان را شامل می‌شود.

توانایی‌های بالقوه و خطرات اپتوژنتیک حلزونی

مزیت اپتوژنتیک حلزونی این است که در یک سیستم حسی شناخته شده و در قالب یک بازتوانی عصبی موفق فعالیت می‌کند.

بکارگیری اپتوژنتیک در بازیابی شنوایی با بکارگیری آن در بازیابی بینایی متفاوت است؛ بطور کلی، موفقیت روشهای دیگر در مقایسه با اپتوژنتیک در بازیابی بینایی، بسیار اندک بوده و این مورد باعث می‌شود اپتوژنتیک بعنوان یک گزینه مورد اطمینان در بازیابی بینایی مطرح شود. ولی موفقیتهای چشم گیر تحریک الکتریکی SGNs توسط CIs باعث شده ورود اپتوژنتیک حلزونی به کاربردهای بالینی با تاخیر و مشکلاتی روبرو شود. علاوه بر این، ارتقای سطح اپتوژنتیک حلزونی بطور موازی با پیشرفت تحریک حلزونی توسط پرتوهای فروسرخ صورت می‌گیرد. تحریک حلزونی با واسطه‌ی پرتوهای فروسرخ به دستکاری ژنتیکی نورونها نیاز ندارد ولی انرژی بیشتری می‌طلبد.

با دست یابی به اهداف زیر در اپتوژنتیک حلزونی، می‌توان آن را بعنوان یک گزینه قابل اطمینان در بازیابی حس شنوایی مطرح کرد:

1. تحریک نورونهای حلزونی با حداقل فرکانس ۱۰۰ هرتز برای محرک‌های قوی
2. پایداری انتقال ژن و بیان آن بمدت حداقل ۱ سال در مطالعات جوندگان و پریماتهای غیر انسانی
3. ایمن بودن انتقال ویروسی و تحریک نوری SGNs

بطور خلاصه، اپتوژنتیک حلزونی یک موضوع مطالعه‌ی چند زمینه‌ای است که از توانایی فوق‌العاده‌ای برای ورود به حیطه کاربردهای بالینی برخوردار است.