Nöropsikiyatride OPTOGENETİK

Işık ve genetik ile beyin hücresini araştıran, beyin hücrelerini ışık ile kontrol etmeye yarayan yeni bilim alanı optogenetik sinir hücrelerinin denetimi konusunda benzersiz olanaklar sunuyor. Kanıtlar da gösteriyor ki Optogenetik yöntemi dikkat eksikliği, hiperaktivite gibi psikiyatrik rahatsızlıklarda dikkat ve odaklanmada tedavi sağlıyor.

NPİSTANBUL Hastanesi'nden Moleküler Biyolog Esmanur Özkan ve Psikolog Gaye Kağan, Optogenetiği ve Nöropsikiyatrideki yerini anlattı. "Beyin, on milyarlarca nöronun birbiri bağlantılı olduğu karmaşık bir sisteme sahiptir. Çok sayıda farklı karakteristik özellikleri ve elektriksel sinyallerin milisaniye hızındaki trafiği doğru bir zamanlama ile tespit etmek, ayrıca biyokimyasal iletilerin zengin çeşitliliği de işe katılmasını düşünürsek sistemin karmaşıklığı daha iyi hesaplanabilir. Moleküler Biyolog Esmanur ÖZKAN ve Psikolog Gaye KAĞAN tarafından hazırlanan Optogenetik sunumunu indirmek için buraya tıklayınız. (Bilgisayarınızda Adobe PDF okuyucu kurulu olmalıdır.) 1979 daki Scientific American dergisindeki makalesinde Nobel ödüllü Francis Crick nörolojik bilimlerin karşılaştığı ana zorluğun, diğer hücrelerde değişime neden olmadan, beyindeki bir hücrenin incelenebilmesi olduğunu belirtmişti. Crick sonradan yazdığı makalesine, ışığın hücrede arzulanan incelemeyi yapabileceğini, çünkü ışık ile net zamanlı uyarılar verilebileceğini speküle etti. Ancak, o zaman ışığa spesifik cevap alınabilecek hücre modellemesi henüz bilinmiyordu. Elektriksel stimulus ile yapılan deneyler bu zorluğu yenemez; çünkü elektrotlar çok basit bir teknik sunmaktadır. Elektrik stimulus ile farklı hücre tipleri arasında ayırım yapamadan tüm devre stimule edilir. Onlarla oluşturulan sinyaller tam bir kesinlikle nöronların fonksiyonu değerlendirme imkanı sağlayamaz. İlaçlarla yapılan deneyler de yeteri kadar spesifik değildir. İlaçlar beynin doğal işlem hızından çok daha yavaş reaksiyona girerler. Optogenetikle belirli bir zaman diliminde, belirli bir hücredeki tek bir olayı inceleme şansı ortaya çıkmaktadır. 2005 yılında optogenetik ile ilgili çalışmalara Kaliforniyada Stanford üniversitesinde başlanmıştır. 2010 yılında Nature methods dergisinde yılın metodu olarak yayınlanmıştır. Çalışmalara meyve sineği ile başlanmış.Hücre kültürü ve farelerde yapılan çalışmalara ek olarak yöntem şimdi primatlarda, sıçan ve kuşlarda denenmektedir.

OPTOGENETİK NEDİR?

Optogenetik: Işık ve genetik ile beyin hücresini araştırma. Genetik olarak modifiye edilmiş hücreleri ışık ile kontrol etmeye yarayan yeni gelişmekte olan bilim alanı. Opsin genlerinden üretilen ışığa duyarlı proteinlerin (bacteriorhodopsin,halorhodopsins, channelrhodopsin)  kullanılmasıyla hedeflenen canlı hücrelerin davranışları ışık kullanılarak kontrol edilir. Genetik, viroloji ve optik teknikler kullanılarak elektrofizyoloji veya diğer standart metodların yapamadığı nöronların spesifik gruplarının belli aralıklarda hassasiyet içinde aktive edilmesi veya susturulması sağlanır. Bu sayede işleyişinin anlaşılması oldukça güç olan karmaşık yapıdaki beyinde spesifik hücrelerin kontrolü sağlanabilir. Hücre tiplerine spesifik, ışığa duyarlı, mikrobiyal iyon iletimi düzenleyici proteinler olan channelrhodopsin-2 (ChR2)  ve halorhodopsin (NpHR)  gibi moleküler nöronal aktivite araçları kullanılarak farklı nöral populasyonların aktivitesi kontrol edilebilir. Bu hücresel araçlar, genetik olarak kodlanarak önceden seçilmiş hedeflenen nöronal devrelerin aktive edilmesi veya inhibe edilmesi amacıyla ilgili hedef nöronlara aktarılırlar.

 OPTOGENETİK'İN NÖROPSİKİYATRİDEKİ YERİ VE ÖNEMİ

MD. PhD. Karl Deisseroth “Yeni olsa da, optogenetik son derece güçlü bir yöntem olduğu kanıtlanmıştır. İnsan beynindeki milyonlarca nöronların ve sayısız alt gruplar ve birbirinden ayrılan farklı hücre popülasyonları bulunur. Optogenetik gibi teknikleri kullanarak bu tip nöronların ne zaman, nasıl ve niçin kullanacağını haritalayabiliriz. Bu bulgular gününüzde bize beynin sırlarını çözmede, hastalıkların, davranışların ve belleğin kökenini daha iyi anlamada bir adım daha ileri götürmektedir.” der.

SOCİETY FOR NEUROSCİENCE-2009

CHICAGO- Araştırmacılar öğrenme, geriçağırma ve duygularındaki gizemli beyin mekanizmalarını; ışık ve genetik kullanılan yeni bir yöntem olan optogenetik araştırılıyor.  Sonuçlar neuroscience dergisinde yayınlandı. Antidepresan tedavisi ile tam olarak iyileşemeyen bölgelere lazer ışığı uygulanarak hücrelerin uyarılmasıyla depresyon semptomlarını rahatlatılmasına yardımcı olduğu görülmüştür. (Herbert Covington, PhD, abstract 286,18, see attached summary) - Yeni ışığa duyarlı proteinlerin keşfi ile birlikte beyin aktivitelerindeki döngü ve beyin hastalıkların arasındaki ilişkiyi anlamakta yeni anlayışlar geliştirmiştir. (Feng, Zang, PhD, abstract 806.1, see attached summary) - Bağımlı olan farelerde bu şekilde davranmalarına neden olan spesifik nöral bağlantıları keşfetmişlerdir.  (Garret Stuber, abstract  686.8, see attached summary) - Şu anda henüz tartışmada olan konu da optogenetikde karmaşık bellek işlevlerinden sorumlu beyin hücrelerinin küçük kısmını reaktivite edildiği keşfedilmiştir. (Michael Hausser, PhD, abstract 388.8, see attached summary) Bazı deneylerde; optogenetik ile fMRI kullanılarak lokal nöronal akitivite ve fMRI’da ölçülen BOLD sinyalleri arasındaki ilişki araştırılmıştır. Aynı zamanda araştırmacılar göstermiştir ki; optogenetikde fMRI kullanımı ile BOLD sinyalleriyle bulunan yapılar arasındaki bağlantılar aydınlatılabilmiştir. (Eberling JL, Jagust WJ, Christine CW, et al. Results from a phase I safety trial of hAADC gene therapy for Parkinson disease. Neurology 2008;70:1980-1983). - Normalde elektiriksel uyarım bazlı methodlara kıyasla optogenetik az problemle daha hızlı haritalama (mesela kortikal haritalama) yapılmasını sağlamaktadır. (Ayling OG, Harrison TC, Boyd JD, Goroshkov A, Murphy TH. Automated light-based mapping of motor cortex by photoactivation of channelrhodopsin-2 transgenic mice. Nat Methods 2009;6;219-224.) - Optogenetik çalışmalarının sonuclarıyla, derin beyin yapılarının nöronal aktivitelerini uyaran DBS, TMS gibi tekniklere göre optogenetik daha hassas bir tekniktir. - Optogenetik beyne verilen uyarım yöntemlerinde  (Deep Brain Stimulation -DBS gibi) mekanizmalarının etkileri  konusunda  ipucu sunuyor. Psikiyatrik hastalıkların semptomlarına nasıl fayda sağladığına yardımcı olabilir.  DBS’de istenen bölgede tüm hücreleri ve sinir liflerini uyarırken, optogenetikde sadece belli nöronlarda uyarım yapabiliyor. Bu da son araştırmalarla birlikte gösteriyor ki DBS’deki gibi uyarım beyne uyarım verilen yöntemlerde kan akışı PH değişimi gibi yan etkiler optogenetik de görülmüyor. “A new technique for controlling the brain: optogenetics and its potential for use in research and the clinic” Ryan T. LaLumiere - Herhangi bir psikiyatrik ya da nörolojik hastalıklarda nöronal-network aktivitesindeki değişiklikler sonucu fonksiyon bozuklukları gözlenir. Spesifik nöronlarda ya da büyük networklarda foto kontrolün sağlanması bu bozuklukların semptomlarını azaltılabilir ya da ortadan kaldırabilir. Ancak bir tedavi olarak tamamen geçirebileceği söylenemiyor. - DBS ile STN (subthalamic nucleus) üzerinde sağlanan dopamin artışı aynı zamanda optogenetik ile sağlanabilir. Kanıtlanmış araştırmalar gösteriyor ki; dikkat eksikliği, hiperaktivite gibi rahatsızlıklarda dikkat ve odaklanmada tedavi sağlanabiliyor. (Sohal VS, Zhang F,  izhar O, Deisseroth K. Parvalbumin neurons and gamma rhythms enhance cortical circuit performance. Nature 2009;459:698-702). (Cardin JA, Carlen M, Meletis K, et al. Driving fast-spiking cells induces gamma rhythm and controls sensory responses. Nature 2009;459:663-667). - Optogenetik’in doğrudan klinik kullanımı olmaksızın, insan hastalıklarının giderilmesi için hayvan modellerinde nöronların optikal kontrolünde yapılması ile daha kesin sonuçlar üretiyor. - Son 5 yıldır araştırmalar gösteriyor ki; optogenetik nöronal aktiviteyi çözmek ve kontrol etmek için klinik amaçlarda kullanım üzerinde önemli bir tekniktir.

OPTOGENETİK’İN GÜNÜMÜZDEKİ YERİ VE ÖNEMİ

Sinir hücrelerinin denetimi konusunda benzersiz bir olanak sunmasına karşın, genlerle oynamayı gerektirdiğinden şimdilik yalnızca hayvanlar üzerinde yapılan araştırmalar kapsamında uygulanıyor. Nöropsikiyatrik hastalıklarda (Parkinson, Depresyon, Şizofreni gibi) için farmakoterapide veya elektriksel stimülasyonlara güçlü bir alternatif sağlayacağı açısından önem teşkil etmektedir."

---