Optogenética: El interruptor del Cerebro

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La optogenética combina la genética, la óptica y la virología con el fin de estudiar e incluso tratar algunas enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson y el Alzheimer (Ilustración de portada: FreeImages.com/Tecnocop).

La optogenética es una técnica que se usa para “encender” y “apagar” grupos de neuronas del cerebro que está causando furor en el mundo de la neurociencia actual, tanto que fue nombrada como “Técnica del año” por la revista Nature en 2010. Este método combina la genética, la óptica y la virología con el fin de estudiar e incluso tratar algunas enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson y el Alzheimer, o trastornos tan comunes como la ansiedad, el insomnio o la epilepsia.

Siendo tremendamente correctos, y por qué no, un poco científicos, la optogenética se define como la combinación de métodos genéticos y ópticos para controlar eventos específicos en ciertas células de tejidos vivos (no sólo del sistema nervioso) usando la luz como agente inductor con una precisión temporal del orden de los milisegundos. La técnica abarca el desarrollo de proteínas sensibles a la luz (naturales o modificadas), las estrategias para introducir los genes que codifican dichas proteínas en las células o tejidos diana y, por último, la generación de sistemas de detección de los cambios de comportamiento producidos en dichas células y tejidos.

El verdadero artífice de esta revolución fue el bioingeniero y psiquiatra Karl Deisseroth profesor de la universidad de Standford. Pero esta idea de poder manejar células y tejidos como si de un mero títere se trataran no habría podido llevarse a cabo sin el descubrimiento de lo que hoy en día se denominan opsinas, unas proteínas propias de microorganismos que son capaces de regular el flujo de carga eléctrica (mediante el movimiento de iones) a través de sus membranas en respuesta a la luz. En el año 2000, unas décadas después del descubrimiento de las primeras opsinas (bacteriorodopsina y halorodopsina) se consiguió aislar una nueva proteína de un organismo unicelular, el alga Chlamydomonas reinhardtii, a la que se le dio el nombre de  Channelrodopsina 2 (ChR2).  Ante la estimulación con un haz de luz azul el ChR2 se abre permitiendo el paso de iones a favor del gradiente electroquímico de la célula (H+>Na+>K+>Ca+), lo que permite que el alga se desplace.

Optogenética 1

Una vez que sabemos todo esto os preguntareis, ¿cómo podemos aplicar esta tecnología al estudio de las neuronas? Muy sencillo, solo hay que seguir los siguientes pasos, como si fueran una receta de cocina (con un poco más de cuidado, eso sí):

Optogenética 2

Optogenética 3

Así, mediante esta técnica un ratón transgénico sería capaz de expresar constitutivamente la opsina ChR2 en neuronas glutamatérgicas (excitatorias) de la corteza motora, de manera que el estímulo de luz induciría en él la locomoción tal y como se ve en el siguiente vídeo:

Aparte de manejar ratones como títeres, esta técnica tiene implicaciones reales y de gran importancia para el tratamiento de algunas patologías hoy en día todavía incurables entre las que cabe destacar:

1. Ha servido para controlar ataques epilépticos en modelos animales experimentales.

2. Al manipular las neuronas dopaminérgicas que forman parte del circuito de recompensa del cerebro, se ha podido potenciar o evitar la adicción a la cocaína o tratar a animales enfermos de Parkinson.

3. El control neuronal del sueño y la vigilia ha podido ser manipulado a voluntad. La activación optogenética de unas neuronas llamadas hipocretinas interrumpe el sueño de un animal profundamente dormido, mientras que la inhibición optogenética de estas neuronas provoca un estado inmediato de sueño profundo en animales que estaban despiertos al momento de aplicar el estímulo luminoso. Estos hallazgos han sentado las bases para desarrollar fármacos que modulen el sueño y para el tratamiento de trastornos como la narcolepsia.

4. Con la ayuda de métodos optogenéticos, se pudo activar selectivamente a un grupo de neuronas del hipotálamo que co-expresan AGRP/NPY. La activación de estas neuronas por sí solas fue suficiente para inducir apetito, incluso en animales saciados y sin necesidad de previo entrenamiento, demostrando que una conducta compleja como la alimentación puede ser controlada optogenéticamente. Por otra parte, la activación de otro grupo de neuronas, que expresan POMC- localizadas en la misma región del cerebro, reduce el apetito y produce pérdida de peso corporal en menos de 24 horas, lo que podría ser utilizado como futuro tratamiento para pacientes con obesidad.

5. Si se produce una arritmia cardíaca, el corazón nuevamente puede bombear sangre al ritmo de la luz. De hecho, se ha desarrollado el primer marcapasos basado en la optogenética.

BIBLIOGRAFÍA:

1. Karl Deisseroth (2010). Controlling the brain with light. Scientific American, 49-55.

2. Karl Deisseroth (2011). Optogenetics. Nature Methods, Vol.8: 26-29.

3. Lief Fenno,Ofer Yizhar and Karl Deisseroth.The Development and Application of Optogenetics. Annual Review of Neuroscience, Vol. 34: 389-412.

4. Optogenetics. Consultado el 10 de abril de 2015 (http://web.stanford.edu/group/dlab/optogenetics/)

Fuente: https://biotecnologia.fundaciontelefonica.com/

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