אופטוגנטיקה

אופטוגנטיקה (באנגלית: Optogenetics) היא טכניקה ביולוגית המשלבת הנדסה גנטית וטכנולוגיות מעולם הפיזיקה, כגון פולסים מהירים ומדויקים של אור ושימוש בסיבים אופטיים, לצורך עירור או השתקת פעולתם של רשתות תאי עצב (נוירונים) ספציפיים שעברו אפנון עצבי (נוירומודולציה) בעזרת גירוי אופטוגנטי ספציפי מאוד. גישות אופטוגנטיות אלו מהוות מהפכה בתחומי הביולוגיה וחקר המוח, הפעלה ספציפית של נוירונים במוח מאפשרת מחקר ברזולוציה גבוהה של שליטה במוח, הבנה מדויקת לתפקוד המוח ותפקוד נוירונים ספציפיים. כמו כן, שליטה בהתנהגותם של בעלי חיים ומציאת מנגנונים של מחלות נוירולוגיות שונות. אופטוגנטיקה הוא תחום מחקרי חדשני בנוירוביולוגיה, נוירופיזיולוגיה וחקר המוח. בשנת 2010, נבחר תחום האופטוגנטיקה כתחום השנה – "Method Of The Year" – מבין תחומי המדע וההנדסה מטעם הכתב עת המדעי של Nature Methods. תאי עצב מופעלים על ידי שינויים אלקטרו-כימיים בתאים, המאפשרים תרגום של מפל ריכוזים כימי ליצירת זרם חשמלי (פוטנציאל פעולה). יכולת זו מושגת על ידי תעלות יונים שונות הנמצאות בקרום התא של הנוירונים, אשר נפתחות בהתאם לסיגנלים שונים, דבר שגורם להכנסה של יוני נתרן אל תוך התא. פעולה זו יוצרת פוטנציאל חשמלי לאורך ממברנת התא שעובר לאורך האקסון במהירות עד לסינפסה, או נקודת מפגש עם תא שכן. בקצה האקסון הפוטנציאל גורם לפתיחת תעלות סידן שגורמות לשחרור בועיות שמכילות נוירוטרנסמיטור כלשהו. הנוירוטרנסמיטור נקשר לקולטנים שנמצאים על התא השכן ובכך נותנות אות לעירור או אינהיביציה של אותו תא שכן. אופטוגנטיקה מהווה שיטה של מעקף לפוטנציאל הפעולה, על ידי שימוש בהנדסה גנטית, ניתן לשלוט בהפעלה יזומה ומדויקת של נוירונים באמצעות אור. יכולת זו מתאפשרת על ידי חלבונים מיוחדים המכונים אופסינים (Opsins) אשר משמשים כקולטן עצבי רגיש לאור ביצורים חיים (פוטורצפטור) וקיימים בצמחים שמייצרים אנרגיה בתהליך הפוטוסינתזה. סוגים שונים של אופסינים קיימים למשל ברשתית העין האנושית, ומאפשרים המרה של אור לפעילות חשמלית נוירולוגית. אופסינים הם חלבונים המקודדים בדנ"א של היצור, בעזרת הנדסה גנטית ונוירומודוליה ניתן לשתול אופסינים על פני נוירונים שבאופן נורמלי וטבעי לא אמורים לבטא אותם. ברגע שנוירון מקודד ומבטא את האופסין, ניתן לגרות אותו להפעילו על ידי שימוש באור. דבר שמאפשר גירוי ספציפי לתאי עצב רצויים לצורך מחקר. צ'נלרודופסין(אנ') הוא חלבון ממשפחת האופסינים שמורכב מחלבון ופיגמנט. קליטה של פוטון באורך גל מסוים בסדר גודל של מילי-שניות משנה את קונופורמציית הפיגמנט, שמשפיעה על מבנה החלבון שאליו הוא קשור. החלבון משמש כתעלת יונים בממברנה ושינוי המבנה גורם לפתיחת התעלה ומעבר של יוני נתרן אל תוך התא. על ידי השימוש בטכנולוגיה של הנדסה גנטית ניתן להחדיר לנוירון תעלות מגיבות לאור, חוקרים לקחו את הגן של צ'נלרודופסין והשתילו אותו לתאי מטרה ספציפיים. כשחשפו את המערכת העצבית לאור כחול, אותם נוירונים בהם התבטא הגן עוררו בשל פתיחת תעלות הנתרן. כך, בעזרת סיבים אופטיים והנדסה גנטית – אופטוגנטיקה, ניתן לערר נוירונים בודדים באזורים ספיציפיים שמעוניינים לחקור. מאז 1979, פרנסיס קריק קבע שיכולת גירוי יזומה של תאי עצב ספציפיים תהווה מהפכה בתחום מדעי המוח, והשעיר על כך שגירוי עשוי להתבצע על ידי טכנולוגיה משמשת באור לשליטה ספציפית בנוירונים, אך באותה תקופה של מדע לא הייתה טכנולוגיה שמאפשרת לנוירונים להיות רגישים ומגיבים לאור. התגלית של התעלות המגיבות לאור – צ'נלרודופסינים – מיוחסת לפרופסור פיטר היגמן מאוניברסיטת הומבולדט של ברלין בשיתוף פעולה עם הביופיזקאי ג'ורג' נאגל. תגלית זו נחשבת כבסיס לפיתוח התחום של אופטוגנטיקה. התגלית והפיתוח של אופטוגנטיקה מיוחס בעיקר לקארל דייסרוס, פרופסור לביו־הנדסה ופסיכיאטריה באוניברסיטת סטנפורד, ומדען המוח האמריקאי אדוארד בוידון מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT). המפגש בין שני התחומים של הנדסה גנטית ואופטיקה התרחש במעבדתו של קארל דייסרוס שהוא היה הראשוון שהשתמש בטכנולוגיה של הנדסה גנטית כדי להחדיר לנוירון תעלות מגיבות לאור. המאמר הראשון שדיווח על נוירון אנושי או של חיה המגיב לאור פורסם באוגוסט 2005. בשנת 2016, הוענק פרס הארווי שהוא הפרס המדעי היוקרתי ביותר שמעניק הטכניון, לפרופ' קארל דייסרוס מאוניברסיטת סטנפורד ולפרופסור פיטר היגמן מאוניברסיטת הומבולדט של ברלין. הם קיבלו אותו על גילוי מולקולות האופסין המעורבות בחישת אור בתאי מיקרואורגניזמים – צ'נלרודופס-2 ועל ניצולן בפיתוחה של האופטוגנטיקה. פיתוח תחום האופטוגנטיקה חילק את מדעי המוח לשתי תקופות "לפני" ו"אחרי"; אופטוגנטיקה נחשבת להיות השיטה הכי מדויקת לגרות את המוח, בהשוואה לגירוי חשמלי או מגנטי, היא יותר ספציפית – עובדה זו משמעותית במיוחד מכיוון שבאותו אזור במוח יכולות להיות שני תאי עצב שמתמחות ועובדות בתפקודים שונים לגמרי. כך ניתן יהיה להשתמש בשליטה אופטית בנוירונים ספציפיים כדי להבין טוב יותר כיצד פועל המוח האנושי. עם ידע הולך וגובר על מעגלים עצביים, החוקרים יהיו מוכנים יותר לפתח טיפולים יעילים למאבק במחלות נוירולוגיות או פסיכיאטריות. ניסויים נערכים כעת רק על אורגניזמים מודליים כמו עכברים ודגים. זה נובע מהעובדה שיש להשתמש בנגיפים להעברת רודופסינים – החלבונים שנמצאים בליבה של השיטה – לתאים. דוגמאות לאורגניזמים המשמשים במחקר המדעי תולעים נימיות (שם מדעי: Nematoda, מכונות גם נמטודות) נחשב כמודל רב עוצמה למחקרים אופטוגניים, משמשת בדרך כלל במחקר בסיסי בגלל שקיפותה, בגנים שלה יש הומולוגים אנושיים, המאפשרים מחקרים מולקולריים הרלוונטיים גם לביולוגיה אנושית (Lai, Chou, Ch'ang, Liu, & Lin, 2000). עם 302 נוירונים מערכת העצבים שלה ניתנת לניהול טובה יותר מזו של בעלי חיים אחרים. בנוסף, נוירון בודד ב־C. elegans יכול לפעול בדומה לאזורי מוח אצל יונקים. בתולעים ניתן לבצע תהליך הפוך לאקסטציה מהירה. על ידי תעלות Halorhodopsin שגורמות לאינהביציה מהירה ופועלות בארוך גל גדול יותר, כך שעקב הפעלת אור צהוב התולעה מפסיקה לנוע כתוצאה מאינהבציה של הנוירונים. זבוב פרי (תסיסנית מלנוגסטר) חיה זו נחשבת למודל טוב לחקר תרופות או מנגנונים המעורבים במחלות נוירולוגיות. בנוסף לכך שהגנום שלו קטן יחסית, פשוט ומאופיין נכון לעכשיו, הוא מכיל אחוז גדול מהגנים הידועים כמעורבים במחלות אנושיות. רק לאחרונה הוכנסו למוחם כמה גרסאות של Channelrhodopsin-2 ) ChR2) המספקות רגישות לאור, ביטוי ויציבות מספיקים כדי לנטרל יעילות תאי עצב מרכזיים במוח של זבובים מבוגרים. כאן מתמקדים בגרסה המספקת כעת יעילות פוטו-גירוי גבוהה ביותר, ChR2-XXL. מדגימים את השימוש בכלי האופטוגנטי הזה על ידי החלתו על פרדיגמת למידה חושנית של חוש הריח. הפעלה אופטוגנטית של אוכלוסייה של נוירונים המשחררים דופמין מחקה את התכונות המחזקות של הלם חשמלי עונשי המשמש בדרך כלל כגירוי לא מותנה. בצירוף מקרים זמני עם גירוי ריח, פעילות עצבית זו המושרה באופן מלאכותי גורמת ללמידה של אות הריח ובכך ליצור זיכרון הנגרם על ידי אור. עכבר (Mus musculus) זהו מודל בעל חיים טוב למחקרים אופטוגנטיים עקב הקלות ביצירת מניפולציה גנטית, פיתחה קבוצת Stanford Bio-X מכשיר מושתל אופתוגני לעשות מניפולציות למעכות העכבר הנוירולוגיות. המכשיר ביכולתו להפעיל או להשבית נוירונים, בדקו התנהגות העכברים בתדירות ומקומות שונים של ההארה של המכשיר (אור כחול) . דג זברה (Danio rerio) דג הזברה הוא חי מודל טוב להצגת התנהגויות כימות בקלות כגון למידה, שינה, התמכרות, בנוסף, הגנום והמנגנונים הגנטיים המעורבים בוויסות ההתפתחות נשמרים מאוד ביחס לבני אדם. חוקרים במעבדת "Isacoff Lab" יישמו אופטוגנטיקה בזחלי דג הזברה כדי לזהות נוירונים חדשים המפעילים את ה־CPG (מחולל דפוסים מרכזי) (Wyart et al., 2009). ה־CPG הוא מעגל עצבי המעורב בתנועה המייצר פקודות מוטוריות תקופתיות לתנועות קצביות כמו שחייה ספונטנית. לשם כך, המעבדה ביטאה את ה־OP של LiGluR בתתי-משנה שונים של תאי עצב השדרה באמצעות מערכת ה־Gal4 / UAS. זה יצר קווי דגים עם קבוצות נוירונים שונים שניתן היה להפעיל באמצעות אור. נכון לשנת 2020, מספר ממצאים חשובים מיוחסים לשיטת אופטוגנטיקה, להלן דוגמאות: גילוי כיצד מצבים התנהגותיים מורכבים (כמו חרדה) נובעים מתכונות של מצב אישי (כולל שינויים בנשימה והתנהגות להימנעות מסיכון) ,ורכיבי מעגל המוח האחראיים במצבים אלה. אופטוגנטיקה אפשרה לנו לעשות מנופלציה ספציפית ליחידות עבודה (נוירונים שונים) באותו אזור, ובך לפשט ולהתחיל במיפוי בתוך המוח. זיהוי הרכבי התאים המבוקשים (engrams) הנמצאים בבסיס הזיכרון וניצולם של מפעילים אופטוגנטיים כדי להגביר ולהקטין את הפעילות באותם נוירונים כדי לגלות כיצד הרכבים אלה שולטים על הפרדתם או שילובם של זיכרונות בודדים. הארת (זיהוי) קבוצת התאים האחראית על כונני הישרדות (רעב, צמא, איזון אנרגיה, נשימה, חשק...) שוני בין תאי העצב דורש התערבות של אופטוגנטיקה. קביעת תאים ספציפיים ונתיבים עצביים השולטים בדפוסי פעולה מוטוריים תקינים ולא תקינים. שאלה ארוכת שנים בתחילת התנועה נענתה בניסויים אופטוגנטיים שחשפו את התפקידים ההבדלים של מסלול ישיר מעורבתי מול מחשבים עקיפים. בנוסף להגברת ההבנה בנוגע לוויסות תנועה אדפטיבית, לתובנה זו יש רלוונטיות קלינית גם לפרקינסוניזם ולהפרעות קשורות. פתרון המעגלים העצביים ודפוסי הפעילות המדויקים המניעים התנהגות חברתית, כולל הזדווגות ותוקפנות. תגלית זו התאפשרה מאחר שאופטוגנטיקה אפשרה מניפולציה של אזור קטן מאוד בעומק המוח (ולא אזורי מוח או סיבי מעבר הסמוכים). בעתיד – ההתקדמות המדעית בתחומים רבים עשויה להקל על ידי המשך פיתוח של: אופסינים יעילים יותר הניתנים להתאמה אישית לכל דרישה ניסיונית שיטות משופרות למיקוד אופסין אחד או יותר לתאים ספציפיים דרכים טובות יותר למקד אור על תא בודד או בתאים מרובים בתבנית זמנית ספציפית מעבר לייצור אופסינים גדולים, מהירים וחזקים יותר, אופטוגנטיקה יכולה להיות משולבת באופן מלא יותר עם טכנולוגיות אחרות המשמשות ללימודי מעגלים במוח, כולל אלקטרופיזיולוגיה וסידן או דימות מתח. חלה התקדמות בולטת לעבר מטרה זו. עם זאת, כדי להעריך את תפקוד המוח באופן מלא, פירוק המעגלים המורכבים המעורבים עשוי להיות תנאי הכרחי, אך לא מספיק. זה עשוי להיות קריטי להבנת התפקידים של הגומלין והמעבר בין הרבים המעבירים העצביים, המעבר העצבי, האיתות התאי ומולקולות מוח אחרות. התובנות המדעיות הבסיסיות לגבי תפקוד המוח הניתנות באופטוגנטיקה (במיוחד כאשר משתמשים בהן בשילוב עם טכניקות אחרות) כמעט בלתי מוגבלות. חוקרים משתמשים במגוון כלים בכל מיני שיטות כדי לחקור את הבסיס של תפקוד המוח (למשל, מהזיכרון ועד ההומאוסטזיס) ותפקוד לקוי (למשל, מאוטיזם ועד מחלת אלצהיימר). התחום משתנה גם הוא במהירות ויום אחד האופטוגנטיקה עשויה לשפוך אור על 'הבעיות הקשות' של מדעי המוח, כמו הבסיס העצבי של התודעה. אבל האם אי-פעם תשתמש באופטוגנטיקה לטיפול במחלות? מספר ניסויים קליניים כבר נערכים, ותוצאותיהם צפויות בשקיקה. עם זאת, במקום להשתמש באופטוגנטיקה לטיפול ישיר בחולים, סביר יותר שטיפולים חדשים להפרעות מוח (והפרעות אחרות) יופקו מסוגי המחקר המתאפשר על ידי האופטוגנטיקה. אפילפסיה היא בין ההפרעות שנחקרו באופן נרחב. אפילפסיות חלקיות מאופיינות בהתקפים הנובעים מפעילות עצבית מעודדת יתר המגיחה מאזור מוקד. על סמך מיקוד ההתקפים המכווץ נראה כי ניתן ליירט התקפים חלקיים על ידי כיבוי חריף של נוירונים מעוררים באמצעות אופטוגנטיקה. ביטוי של אופינים חיידקים רגישים לאור הוא גישה מבטיחה להחזרת הראייה במחלות ניווניות רשתית ללא צורך בניתוח פולשני. כלים באופטוגנטיקה יכולים לבוא לידי ביטוי גנטית בתתי אוכלוסיות שונות של תאי עצב ברשתית באמצעות וקטורים ויראליים. הרעיון המרכזי של האופטוגנטיקה הוא להמיר נוירוני רשתית בלתי רגישים למצבים "פוטו-קולטנים". הצלחת המאמצים הללו תהיה תלויה ביכולת לשלוח גנים ואור בבטחה וביעילות לנוירונים – ללא הישג קל. אפילו אם מוחם של בני האדם לעולם לא יהיה בשליטת לייזרים – כמו שעכשיו יש להם זבובים, עכברים ואפילו קופים – אופטוגנטיקה כמעט ודאי תביא לפריצות דרך רפואיות,אם מחקר אופטוגנטי יכול לבסס את מעגלי המוח המופרעים במחלות נוירולוגיות ופסיכיאטריות, ניתן למקד תאים אלה באמצעות תרופות או טכנולוגיות מבוססות יותר כמו גירוי מוחי עמוק. "אנו יכולים להשתמש בכלים אלה לעקרונות טיפול אמיתיים", טוען מדען המוח האמריקאי אדוארד בוידון מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT). נוירוכירורגיה הפלסטיות של מערכת העצבים היפנוזה Deisseroth, K. Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience. Nat. Neurosci. 18, 1213–1225 (2015).This recent review covers the history and developments of optogenetics over the past 10 years and addresses potential limitations and standards of practice for application. Kim CK, Adhikari A, Deisseroth K. Integration of optogenetics with complementary methodologies in systems neuroscience. Nature Reviews Neuroscience. 2017. Kato HE, Kim YS, Paggi JM, Evans KE, Allen WE, Richardson C, Inoue K, Ito S, Ramakrishnan C, Fenno LE, Yamashita K, Hilger D, Lee SY, Berndt A, Shen K, Kandori H, Dror RO, Kobilka BK, Deisseroth K. Structural mechanisms of selectivity and gating in anion channelrhodopsins. Nature. 2018. Andalman AS, Burns VM, Lovett-Barron M, Broxton M, Poole B, Yang SJ, Grosenick L, Lerner TN, Chen R, Benster T, Mourrain P, Levoy M, Rajan K, Deisseroth K. Neuronal dynamics regulating brain and behavioral state transitions. Cell. 2019. ennings JH, Kim CK, Marshel JH, Raffiee M, Ye L, Quirin S, Pak S, Ramakrishnan C, Deisseroth K. Interacting neural ensembles in orbitofrontal cortex for social and feeding behavior. Nature. 2019. Deisseroth, Karl. Optical and chemical discoveries recognized for impact on biology and psychiatry. EMBO Reports. 2017. And Then There Was Light: Perspectives of Optogenetics for Deep Brain Stimulation and Neuromodulation ( Jean Delbeke,1 Luis Hoffman,2 Katrien Mols,2,3 Dries Braeken,3 and Dimiter Prodanov2,4,(Front Neurosci. 2017; 11: 663. Josselyn SA. The past, present and future of light-gated ion channels and optogenetics. Elife. 2018;7:e42367. Published 2018 Oct 22. מדיה וקבצים בנושא אופטוגנטיקה בוויקישיתוף Lab Data Stanford מה זה אופטוגנטיקה ואיך גורמים לתאים להגיב לאור? (מכון דווידסון למדע 2011). גלי וינרב, ‏המחקר ששופך אור על המוח, באתר גלובס, 15 בינואר 2015 ויהי אור! (מדע גדול, בקטנה 2019). סרטון באנגלית (Ed Boyden: A light switch for neurons). Optogenetics: controlling brain cells with lasers אופטוגנטיקה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) Method of the Year 2010, Nature Methods 8, 2011-01, עמ' 1–1 doi: 10.1038/nmeth.f.321 אוני צברי, מה זה אופטוגנטיקה ואיך גורמים לתאים להגיב לאור?, באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי, ‏5 במרץ 2011 Edward S. Boyden, Feng Zhang, Ernst Bamberg, Georg Nagel, Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity, Nature Neuroscience 8, 2005-09, עמ' 1263–1268 doi: 10.1038/nn1525 Prize Winners – Harvey Prize, harveypz.net.technion.ac.il Tractates Sabbat and 'Eruvin, Berlin, Boston: DE GRUYTER, ISBN 978-3-11-028903-9 Thomas Riemensperger, Robert J. Kittel, André Fiala, Optogenetics in Drosophila Neuroscience, Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.) 1408, 2016, עמ' 167–175 doi: 10.1007/978-1-4939-3512-3_11 Maya Peters Kostman, Zebrafish as a Model for Behavior: Swimming into the Optogenetic Spotlight, blog.addgene.org (באנגלית) Sung-Yon Kim, Avishek Adhikari, Soo Yeun Lee, James H. Marshel, Diverging neural pathways assemble a behavioural state from separable features in anxiety, Nature 496, 2013-04, עמ' 219–223 doi: 10.1038/nature12018 Xu Liu, Steve Ramirez, Petti T. Pang, Corey B. Puryear, Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall, Nature 484, 2012-04, עמ' 381–385 doi: 10.1038/nature11028 A. J. Rashid, C. Yan, V. Mercaldo, H.-L. Hsiang, Competition between engrams influences fear memory formation and recall, Science 353, 2016-07-22, עמ' 383–387 doi: 10.1126/science.aaf0594 Alexxai V. Kravitz, Benjamin S. Freeze, Philip R. L. Parker, Kenneth Kay, Regulation of parkinsonian motor behaviours by optogenetic control of basal ganglia circuitry, Nature 466, 2010-07, עמ' 622–626 doi: 10.1038/nature09159 Dayu Lin, Maureen P. Boyle, Piotr Dollar, Hyosang Lee, Functional identification of an aggression locus in the mouse hypothalamus, Nature 470, 2011-02, עמ' 221–226 doi: 10.1038/nature09736 Jan Tønnesen, Merab Kokaia, Epilepsy and optogenetics: can seizures be controlled by light?, Clinical Science 131, 2017-07-15, עמ' 1605–1616 doi: 10.1042/CS20160492 Botond Roska and David Pepperberg, Chapter 2 – Restoring Vision to the Blind: Optogenetics, Translational Vision Science & Technology 3, 2014-12-30 doi: 10.1167/tvst.3.7.4