Практическое применение: свет и два переключателя — On/Off

Карл Дейсерот (Karl Deisseroth), психиатр из Стэнфордского университета, видел немало людей с тяжелыми заболеваниями. Но двое из его пациентов особенно часто заставляют вспоминать о себе.

Карл Дейсерот, невысокий мужчина с фигурой борца, около 40 лет, — не только психиатр, но и нейроученый. Как психиатр он принимает пациентов один день в неделю, а оставшиеся че­тыре рабочих дня посвящает руководству нейролабораторией в Стэнфорде. В 2004 году он прочитал статью Хагеманна и задал себе тот же вопрос, что и Тсьен в 1999-м: можно ли при болезни Паркинсона генетически видоизменить неправильно функцио­нирующие клетки головного мозга таким образом, чтобы управ­лять ими посредством светового воздействия?

Однако проблема, связанная с болезнью Паркинсона, не сво­дится только к выявлению поврежденных структур мозга. Да, травмы такого рода — это плохо. Но еще хуже отсутствие легких путей восстановления нормальной работы нейронных цепочек. Врачи могли либо, введя электроды глубоко в поврежденную об­ласть, подвергнуть всю ее электрошоку, либо наполнить весь мозг лекарствами. Подобные методы иногда помогали. Однако, даже в случае успешного лечения, возникали побочные эффекты.

Дейсерот понимал: намного лучшей тактикой было бы вос­становление нормальной деятельности поврежденных нейронов при помощи технологии, нацеленной на каждую нуждающуюся в лечении нервную клетку.

Чтобы исследовать этот вопрос, Дейсерот собрал нескольких студентов-выпускников, в числе которых были Фенг Занг (Feng Zhang) и Эд Бойден (Ed Boyden). Занг говорит, очень точно подби­рая выражения, и его скупая речь с легким бостонским акцентом сочетается с манерами китайского мандарина. Бойден, напро­тив, говорит так быстро, что порой проглатывает слова, и иногда кажется, будто его мысли заметно опережают сказанное. Он из тех, кто всегда торопится. В свои 19 лет Эд успел закончить учебу в Массачусетском технологическом институте, защитив диплом по квантовым вычислениям, и устремился в докторантуру по стезе нейронауки.

В 2005 году Занг и Бойден повторили эксперимент Тсьена. Правда, им не пришлось искать необходимый ген. Они встроили его требуемым образом, поместили лабораторный образец ткани с нейронами на предметное стекло микроскопа и ввели тонкий электрод в одну из нервных клеток — чтобы наблюдать за ее воз­буждением. После чего направили на эту клетку луч синего све­та. (Ченнелродопсин в наибольшей мере реагирует на свет с дли­ной волны 480 нм — то есть на лучи сине-голубой части спектра). Микроскоп, который использовали эти ребята, чем-то напоминал накачанного культуриста. В окуляр была встроена камера, на пред­метное стекло нацелился лазер, а в больших коробах размещалась аппаратура, предназначенная для усиления слабого тока, который, как они надеялись, должен был появиться. Если в нервной клетке возникнет импульс возбуждения, то на мониторе компьютера дол­жен появиться огромный зубец. Все в точности так и произошло. При каждой вспышке света нейрон приходил в возбуждение, а по белому полю экрана один за другим двигались большие зубцы^[114].

Так у них появился «включатель» нейронов. Однако Бойден понимал: нужно научиться не только «включать», но и «вы­ключать» это возбуждение. Некоторые недуги (например, эпи­лепсия) связаны с нарушением в нервной системе механизмов торможения.

Итак, теперь нужно было найти вторую составляющую — «вы­ключатель» нейронного возбуждения. Бойден закончил свою диссертацию, получил еще год для дополнительной работы, а затем вернулся в Массачусетский технологический институт, чтобы в возрасте 27 лет возглавить собственную лабораторию. Он нашел бактериальный ген халорходопсин (halorhodopsin), полагая, что его свойства окажутся противоположны ченнелро- допсину (channelrhodopsin). В 2006 году Бойден и его коллега Ксю Хан (Xue Нап) встроили халорходопсин в нейроны, которые затем облучили желтым светом, — и возбуждение последних прекращалось. На следующем этапе работы ученые встроили в нервные клетки оба гена — и, варьируя сине-голубой и желтый свет, получили возможность как инициировать, так и подавлять возбуждение нейронов^[115].

Замечательно. Теперь в руках ученых находились и «включа­тель», и «выключатель» (ON / OFF switches). Они не только дава­ли возможность контролировать активность нейронов, но и по­зволяли воздействовать на нервные клетки с исключительной точностью. Фактически, в то же самое время Фенг Занг открыл это явление в Стэнфорде: с помощью желтого света ему удава­лось останавливать движение червей^[116]. В других лабораториях экспериментаторы заставляли мух подниматься в воздух при облучении их сине-голубым светом. В телепередаче The Tonight Show Джей Лено (Jay Leno) даже позволил себе пошутить по по­воду этой технологии: в видеоклипе он, осуществляя «контроль с удаленным доступом», пытался управлять мухой, летящей в рот Джорджу Бушу. Аналогичные исследования множились, как грибы после дождя, и вскоре с просьбой выслать им гены к Дейсероту стали обращаться десятки лабораторий.

К 2007 ^Г°ДУ ^в распоряжении Дейсерота и Бойдена оказалось все необходимое для проведения экспериментов с оптогенети­кой над животными.

1. «Включатель» (ON switch) — ген ченнелродопсин (chan- nelrhodopsin).

2. «Выключатель» (OFF switch) — ген халорходопсин (halor- hodopsin).

3. «Прирученный вирус» (tamed virus) — покорное им орудие доставки генов внутрь клетки.

4. Методика, позволявшая вводить малые количества «при­рученных вирусов» в строго определенный объем мозго­вой ткани.

5. «Промоутер», обеспечивающий избирательное действие по отношению к нервным клеткам. Если экспериментато­рам нужно было, чтобы ченнелродопсин работал только в нейронах определенного типа и ни в каких иных, то ре­шение данной задачи обеспечивало применение «промоу­тера» с определенными свойствами.

6. Технология введения оптоволоконного кабеля сквозь от­верстие в черепе для направления пучка световых лучей к модифицированным тканям головного мозга.

В августе того же года Дейсерот и его рабочая группа созда­ли свою мышь, бегавшую против часовой стрелки (counterclock­wise mouse). Они ввели ченнелродопсин в переднюю правую область двигательной коры головного мозга мыши — то есть в тот участок, который контролирует левую ногу. Когда по ка­белю пошел световой сигнал, зверек побежал по кругу налево^[117]. Это стало принципиальным доказательством, которое и требо­валось ученым. Дейсерот немедленно ориентировал свою ла­бораторию на исследования, касающиеся болезни Паркинсона. Нейробиолог собрал всю обзорно-аналитическую информацию о том, почему в некоторых случаях помогает электростимуля­ция. Предположений оказалось больше, чем фактов. Согласно одной из версий, электрический ток должен подавлять избыточ­ную активность так называемых субталамических нервных ядер (subthalamic nucleus, STN). Согласно другой, он стимулирует вспомогательные клетки (support cells), расположенные вокруг субталамических нервных ядер, — благодаря чему усиливается выработка необходимого нейротрансмиттера.

Благодаря оптогенетике теперь такая возможность появилась. В 2008 году Дейсерот и его студенты начали работать с мышами, половина мозга которых была поражена болезнью Паркинсона. Применяя инструменты оптогенетики, они блокировали воз­буждение субталамических ядер у одной группы лабораторных мышей и одновременно стимулировали вспомогательные нерв­ные клетки у другой. Если зверьки в одной из групп начнут дви­гаться нормально, как здоровые особи, сразу станет ясно, какая из двух гипотез верна.

Однако, к смущению и тревоге экспериментаторов, ни в одной из двух групп мыши не стали двигаться нормально. Ничего не изменилось. Совершенно.

Однако двое выпускников из команды Дейсерота — Вивиана Градинару (Viviana Gradinaru) и Муртаза Могри (Murtaza Mogri) — на этом не остановились. Существовала еще третья ги­потеза: аксоны субталамических ядер стимулирует электриче­ский ток — вследствие чего восстанавливается нормальная дея­тельность нервных клеток. Проверить это предположение было труднее, потому что работать предстояло не с клетками нервных ядер, а с их аксонами. То есть примерно то же самое, что играть на пианино, но удары по клавишам должны передаваться не непосредственно касающимся струн молоточкам, а другим — тем, которые будут бить по последним.

Опыт за опытом проваливались. «То было время разочарова­ний, — писал мне Дейсерот. — По этой причине проект почти за­крыли: мы никак не могли показать те результаты, которые име­ли бы терапевтическое значение». И вдруг — как раз тогда, когда они были почти готовы все остановить (оставалась лишь послед­няя группа мышей, предназначенных для эксперимента), — все получилось. Мышь пошла. Лиза Гунайдин (Lisa Gunaydin), одна из членов команды, рассказывала об этом так: «Мы прыгали до потолка, потому что немедленно поняли, какого результата доби­лись.

Самое главное заключалось в том, что ученые смогли устра­нить симптомы болезни. И добиться этого удалось с помощью электрического тока. Не менее важной стала и ясность с тем, ка­кие именно участки мозга требуют вмешательства. Иными сло­вами, благодаря оптогенетике терапевтическое воздействие на мозг можно было сделать целенаправленным и абсолютно точ­ным. Прощайте, побочные эффекты!

Вернувшись в Массачусетский технологический, Эд Бойден поставил на повестку дня очевидный вопрос: насколько все это применимо к людям? Имелись основания полагать, что может быть применимо. Природа стремится сохранить структуры, по­казавшие свою жизнеспособность. В процессе эволюции много­клеточные организмы вырабатывают энзимы, катализирующие основные обменные процессы в клетках. Существа, находящие­ся на более высоких уровнях развития, в своей жизнедеятель­ности стремятся использовать эти природные катализаторы — вместо того, чтобы начинать все, так сказать, с чистого листа. Человеческий мозг сложнее мышиного, но допамин у нас в го­ловах работает примерно так же. Фактически, гены любого из нас и скромного моллюска Aplysia (морской заяц) совпадают примерно наполовину — и это значит, что основные биохими­ческие процессы мало чем различаются. Гены человека и мыши совпадают почти на 90%. Следовательно, если что-то получилось в эксперименте с последней, то есть шанс на успех и с первым.

Однако Бойден не могтаклегко экспериментировать на людях. Представьте, что вы говорите пациенту с болезнью Паркинсона: «Мы намерены генетически изменить ваш головной мозг инъ­екцией вирусов, содержащих гены, взятые у водорослей. А затем мы введем вам под череп источник света...» Несомненно, чело­век потребует некоторые данные, подтверждающие безопасность этих действий для подопытного!

В 2008 году Бойден и Хан начали экспериментировать с макаками-резусами, мозг которых относительно близок к че­ловеческому. Ученые вводили жидкость с вирусами в небольшие области переднего мозга (forebrain) обезьян и при помощи опто­волоконного кабеля воздействовали на них сине-голубым и жел­тым светом. Одна из подопытных была на особом положении: ее нервные клетки засвечивали по несколько минут ежедневно — неделя за неделей в течение девяти месяцев. Как и надеялись экспериментаторы, нейроны возбуждались и успокаивались точно по команде. И спустя указанное время нервные клетки этой макаки остались неповрежденными и могли нормально функционировать^[119].

Последнее обстоятельство было критически важным. Оно свидетельствовало, что генетические изменения не причини­ли обезьянам вреда. В 1999 году девочка-подросток по имени Джесси Джелсингер (Jesse Gelsinger) умерла в клинике при ле­чении болезни печени с помощью генной терапии. Причиной ее гибели стала реакция иммунной системы на введенный врачами вирус. Ни один из тех, кто занимается генной терапией, никогда не забывает о Джесси.

Однако обезьянки были в полном порядке. Их мозги не по­вредились. Бойден и Хан сообщили о полученных результатах в апреле 2009 года. Джейми Хендерсон (Jaimie Henderson), ней­рохирург из Стэнфорда, нашел эту новость весьма многообе­щающей. Для глубокой стимуляции мозга он часто импланти­ровал электроды пациентам с болезнью Паркинсона, поэтому ограничения данного метода были ему хорошо известны. Как и Дейсерот, он хотел делать больше. Значит, исследования в об­ласти оптогенетики следовало превратить в технологию, приме­нимую на практике.

Хендерсон сделал технический рисунок устройства, чем-то напоминавшего эскимо, уменьшенное втрое. Оно представляло собой контроллер размером со спичечный коробок, подсоеди­ненный к стержню. На верхушке последнего были смонтиро­ваны четыре светодиода. Ученый попросил коллегу-физика из того же Стэнфордского университета сделать опытный образец. Теперь этот прибор стоял на рабочем столе Хендерсона, ритми­чески — по щелчку выключателя — загораясь сине-голубым све­том. Очень симпатичный прибор. Отличное воплощение прин­ципов нейротехнологии.

Глубокая стимуляция мозга требует ввести электроды на глу­бину в несколько дюймов. Нелегкая задача, если на стержне по­мещены четыре светодиода. Однако работа Градинару и Могри открыла одну заманчивую возможность. Они доказали необхо­димость стимулирования аксонов, связанных с субталамически- ми ядрами. И эти аксоны подходят очень близко к поверхности мозга. Следовательно, можно «заякорить» электрод прямо под черепом. И тогда же ввести внутрь мозговой ткани необходимые гены. Элегантное и точное технологическое решение вкупе с не­сложной хирургической операцией.

Но Хендерсон понимал, что до широкого практического при­менения еще далеко. В 2009 году соответствующие опыты над приматами начались в Стэнфордском университете. В случае успеха ученые должны обратиться в Управление по контролю за качеством пищевых продуктов и лекарств США (FDA — Food and Drug Administration) и получить разрешение на продолже­ние опытов, но уже на людях. Если все пойдет хорошо, то обору­дование, имеющее коммерческую ценность и предназначенное для выхода на рынок, появится, возможно, лет через пять или чуть больше. И лечение болезни Паркинсона при этом окажет­ся только началом. Так сказать, тем плодом, который висит на нижней ветке.