اپتوژنتیک و دستکاری نوری

سایر فناوری های نوری هیبریدی در حال ظهور

تحریک فتوشیمیایی

فعال سازی نوری

دستکاری نوری سیال

تحریک فتوترمال

مکانیسم های بیوفیزیکی تحریک و مهار مادون قرمز

اپتوژنتیک و دستکاری نوری

با ترکیب روش‌های ژنتیکی و نوری، "اپتوژنتیک" اجازه کنترل (تحریک یا خاموش کردن) سلول‌های قابل فعال‌سازی الکتریکی و ژنتیکی را با دقت زمانی بالا داده است. این امر با اجازه دادن به تشریح عملکرد مدارهای عصبی به شدت بر تحقیقات علوم اعصاب تأثیر گذاشته است. از زمان اولین نمایش in-vivo، فناوری اپتوژنتیک برای پستاندارانی که آزادانه حرکت می کنند به کار گرفته شده است و در نهایت می تواند اساس درمان اختلالات عصبی مانند بازسازی بینایی، درمان روانپزشکی و کنترل درد باشد. فناوری اپتوژنتیک همچنین بر سایر زمینه های تحقیقاتی زیست پزشکی مانند کنترل عملکرد قلب، تمایز سلول های بنیادی و برنامه ریزی مجدد فعالیت های متابولیک در سلول های پستانداران تأثیر می گذارد. در همه این تنظیمات، اپتیک هم در ارائه نور برای کنترل سلولی و هم در برخی موارد برای تصویربرداری از پیامدهای این کنترل نقش مهمی ایفا می کند. معرفی اپتیک غیر خطی کنترل فضایی بسیار دقیق و عمیق تحریک اپتوژنتیک را امکان پذیر کرده است. اگرچه فناوری فیبر نوری و موجبر انتقال نور به نواحی بافت هدف را ممکن می‌سازد، سایر فناوری‌های تصویربرداری فوتونیک این پتانسیل را دارند که به طور قابل‌توجهی به بازخوانی‌های تصویربرداری از فعالیت‌های عصبی/سلولی در طول تحریک اپتوژنتیک کمک کنند (مانند میکروسکوپ درون حیاتی، بازتاب منتشر، فلورسانس، و SHG و غیره). در حالی که درک دقیق اپتیک بافت برای تحویل نور تحریک ضروری است، استفاده از روش های کریستالوگرافی و طیف سنجی درک فرآیندهای برهمکنش بین نور و مولکول های اپتوژنتیک را افزایش می دهد.

اپتوژنتیک و دستکاری نوری

اپتوژنتیک مسیری امیدوارکننده برای بازیابی بینایی

اپتوژنتیک مسیری امیدوارکننده برای بازیابی بینایی

ترجمه با مهندس شکوفه ساتری

درمان اپتوژنتیک MCO نانوسکوپ برای ترمیم بینایی. اعتبار: فناوری های نانوسکوپی.

از دست دادن بینایی می تواند نتیجه بسیاری از شرایط مختلف باشد، به طوری که تصور می شود بیماری ارثی شبکیه شایع ترین علت نابینایی در کشورهای توسعه یافته است. مدیریت تمایل به اقدامات حمایتی به جای درمان دارد، اگرچه روش‌های جراحی قابل توجهی با استفاده از انواع مختلف ایمپلنت‌های شبکیه نیز توسعه یافته‌اند.

اپتوژنتیک، که در آن فعالیت نورون ها یا سلول های دیگر تحت تأثیر نور فرودی قرار می گیرد، می تواند راه حل جذاب تری ارائه دهد. ممکن است بتوان از یک رویکرد اپتوژنتیک برای حساس کردن نورون‌های ثانویه و سوم شبکیه چشم به نور استفاده کرد و به آن‌ها اجازه داد به‌طور مؤثری جای گیرنده‌های منحط یا ناکارآمد مسئول از دست دادن بینایی را بگیرند.

این موضوع موضوع جلسه ای در کنفرانس اپتوژنتیک و دستکاری نوری در SPIE Photonics West در ژانویه بود، جایی که سامارندرا موهانتی و تیمی از نانوسکوپ شرکت کنندگان را در مورد آخرین پیشرفت ها در زمینه درمان اختلالات مختلف شبکیه به روز کردند.

موهانتی اظهار داشت: «اپتوژنتیک می‌تواند نورون‌های زنده‌مانده را حساس به نور کند، تا جایگزین عملکرد حسگر نور گیرنده‌های غیرفعال شود». "برای اینکه آنها به طور مناسب حساس به نور باشند، به عنوان مثال حساس به محیط باند پهن، به مهندسی مولکولی مناسب به علاوه حساسیت کاوشگر اپتوژنتیک بستگی دارد.

پروتئین opsin که ما استفاده می کنیم و با استفاده از یک ویروس مرتبط با آدنو (AAV) به عنوان ناقل تحویل می شود، باید به اندازه کافی حساس باشد که نورون ها در سطوح کم نور بدون ایجاد سمیت نوری فعال شوند. اپتوژنتیک شامل مولکول های طراحی شده از میکروب ها معمولاً به عنوان یک مهانتی افزود: سیستم تک جزیی، در حالی که انتقال دید طبیعی در انسان شامل تعامل چندین مولکول است، بنابراین سینتیک اپسین باید به اندازه کافی سریع باشد تا امکان پردازش بصری صحنه های متحرک را فراهم کند.

چالش با رویکرد opsin این است که همه ویژگی‌های ایده‌آل مانند حساسیت بالا، پاسخ طیفی وسیع و پاسخ سریع روشن و خاموش را داشته باشیم که در یک سیستم عملی قابل تشخیص باشند. Nanoscope Technologies اپسینی به نام Multi-Characteristic Opsin توسعه داده است که در آن ساختار منحصر به فرد - یک کانال یونی گذرنده که به یک لیگاند و تقویت کننده متصل شده است - منجر به مکانیسم خاصی از عمل می شود. هدف این است که اجازه دهیم محدوده دینامیکی بازسازی بینایی اپتوژنتیک به چندین مکانیسم مکمل مورد استفاده در چشم طبیعی نزدیک شود.

موهانتی گفت: «مسئله دیگر مربوط به تحویل اپسین به منظور دستیابی به انتقال بالا در سلول های هدف بدون ایجاد التهاب است. موهانتی گفت: "ناقل AAV با دوز بالا ما التهاب محدود و به خوبی کنترل شده را در یک دوره طولانی نشان داده است، در حالی که سایر ناقل های ویروسی در دوز بالا ممکن است منجر به عوارض جانبی طولانی مدت شوند. بنابراین باید به شدت مورد مطالعه و کنترل قرار گیرد."

چالش های در حال رفع شدن

روش‌های دیگر برای بازیابی بینایی می‌توانند ترکیبی از یک اپسین و یک دستگاه خارجی را به کار گیرند. در حالی که رویکرد اپتوژنتیکی که توسط فناوری‌های نانوسکوپ اتخاذ می‌شود نیازی به استفاده از عینک تقویت‌کننده ندارد، در عوض از ویژگی‌های سفارشی اپسین استفاده می‌کند، روش‌های جایگزین می‌توانند از عینک به عنوان بخشی از پلتفرم‌های نوری ترکیبی استفاده کنند که برای ثبت یک صحنه خارجی با دوربین و رله در نظر گرفته شده است. آن را به عنوان یک پرتو نور روبشی به شبکیه چشم می رساند. در این رویکردهای درمان ترکیبی، کنترل پالس و شدت نور ارسالی ضروری است، که اغلب از فناوری‌های فوتونیک فعلی مانند دستگاه‌های MEMS، حسگرها و الگوریتم‌های پردازش تصویر برای افزایش عملکرد کلی استفاده می‌کنند.

ایهود ایساکوف از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، که در مورد آن بحث خواهد کرد، اظهار داشت: «برخی از نسخه‌های این درمان‌ها از عینک‌های تشدیدکننده نور استفاده می‌کنند، و برخی دیگر از عینک‌های هوشمند استفاده می‌کنند که الگوی نور را تغییر می‌دهند و آن را همانطور که معمولاً در مدار بالادست شبکیه رخ می‌دهد، تهویه می‌کنند». استفاده از اپسین میله ای و مخروطی برای ترمیم بینایی اپتوژنتیک در طول کنفرانس.

ما به سیستمی نیاز داریم که به اندازه کافی حساس باشد تا در نور اتاق و روی نمایشگرهای استاندارد رایانه کار کند، سیستمی که دقت بالایی داشته باشد و به اندازه کافی سریع باشد که از تار شدن سوژه یا محیط در حال حرکت جلوگیری کند. و تحویل ژن باید به همان اندازه باشد. ایساکوف گفت: شبکیه تا حد ممکن، در حالی که برای نوع سلولی که به طور متراکم نمایش داده می شود، انتخابی است.