Wetenschappers hebben een gen voor een groenlichtreceptor ingebracht in de ogen van blinde muizen en een maand later navigeerden de muizen net zo gemakkelijk om obstakels als mensen zonder zichtproblemen.

De muizen konden beweging, helderheidsveranderingen over een duizendvoudig bereik en fijne details op een iPad voldoende zien om letters te onderscheiden.

De onderzoekers zeggen dat de gentherapie - die ze via een inactief virus afleverden - binnen slechts drie jaar kon worden getest bij mensen die het gezichtsvermogen verloren door retinale degeneratie, waardoor ze idealiter genoeg visie kregen om zich te verplaatsen en mogelijk te restaureren. hun vermogen om een ​​video te lezen of te bekijken.

"Je zou dit virus in iemands oog injecteren en een paar maanden later zouden ze iets zien", zegt Ehud Isacoff, professor moleculaire en celbiologie aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en directeur van Helen Wills Neuroscience Institute.

"... hoe prachtig het zou zijn voor blinden om de mogelijkheid te herwinnen om een ​​standaard computerscherm te lezen, per video te communiceren, een film te kijken."

"Met neurodegeneratieve ziekten van het netvlies, proberen veel mensen te doen is stoppen of vertragen verdere degeneratie. Maar iets dat binnen een paar maanden een afbeelding herstelt, het is verbazingwekkend om over na te denken. "

Over 170 miljoen mensen over de hele wereld leven met leeftijdsgebonden maculaire degeneratie, die opvalt bij 10-mensen ouder dan 55, terwijl 1.7 miljoen mensen over de hele wereld de meest voorkomende vorm van overgeërfde blindheid hebben, retinitis pigmentosa, waardoor mensen meestal blind worden door de leeftijd van 40.

"Ik heb vrienden zonder lichtbeleving en hun levensstijl is hartverscheurend", zegt John Flannery, een professor in de moleculaire en celbiologie die op de Faculteit van de School of Optometry zit.

"Ze moeten overwegen welke ziende mensen als vanzelfsprekend beschouwen. Elke keer als ze naar een hotel gaan, is elke kamerindeling bijvoorbeeld een beetje anders en hebben ze iemand nodig om ze door de kamer te lopen terwijl ze een 3D-kaart in hun hoofd bouwen. Dagelijkse voorwerpen, zoals een lage salontafel, kunnen een valgevaar opleveren. De ziektelast is enorm bij mensen met ernstig, invaliderend zichtverlies, en zij kunnen de eerste kandidaten zijn voor dit soort therapie. "

De nieuwe therapie omvat het injecteren van geïnactiveerde virussen in het glasvocht om een ​​gen rechtstreeks in ganglioncellen te dragen. Eerdere versies van virale therapie vereisten het injecteren van de virussen onder de retina (onderkant). (Credit: John Flannery)

Momenteel zijn de opties voor dergelijke patiënten beperkt tot een elektronisch oogimplantaat dat is aangesloten op een videocamera die op een bril zit - een lastige, invasieve en dure opstelling die een beeld produceert op het netvlies dat op dit moment overeenkomt met een paar honderd pixels. Normaal, scherp zicht heeft miljoenen pixels.

Het corrigeren van het genetische defect dat verantwoordelijk is voor retinale degeneratie is ook niet eenvoudig, omdat er meer dan 250 verschillende genetische mutaties zijn die alleen verantwoordelijk zijn voor retinitis pigmentosa. Ongeveer 90 procent van deze cellen doodt de fotoreceptorcellen van het netvlies - de staafjes, gevoelig voor zwak licht en de kegels, voor de waarneming van de daglichtkleur. Maar retinale degeneratie spaart typisch andere lagen retinale cellen, inclusief de bipolaire en retinale ganglioncellen, die nog tientallen jaren gezond kunnen blijven, hoewel ongevoelig voor licht, nadat mensen volledig blind zijn geworden.

In hun proeven bij muizen slaagden de onderzoekers erin het 90-percentage van ganglioncellen lichtgevoelig te maken.

Een eenvoudig systeem

Om blindheid bij deze muizen om te keren, ontwierpen de onderzoekers een virus gericht tegen retinale ganglioncellen en laadden het met het gen voor een lichtgevoelige receptor, de groene (medium-golflengte) kegel opsine. Normaal gesproken drukken alleen de fotoreceptorcellen deze opsin uit en zijn ze gevoelig voor groen-geel licht. Toen onderzoekers het in het oog injecteerden, droeg het virus het gen naar ganglioncellen, die normaal ongevoelig zijn voor licht, en maakte ze lichtgevoelig en in staat signalen naar de hersenen te sturen dat het als zicht interpreteerde.

"Tot het uiterste dat we de muizen kunnen testen, kun je het gedrag van de optogenetisch behandelde muizen van de normale muizen niet vertellen zonder speciale apparatuur," zegt Flannery. "Het staat nog te bezien wat dat vertaalt naar een patiënt."

Bij muizen leverden de onderzoekers de opsins af aan de meeste ganglioncellen in het netvlies. Om mensen te behandelen, zouden ze veel meer virusdeeltjes moeten injecteren omdat het menselijk oog duizenden malen meer ganglioncellen bevat dan het muisoog. Maar het team heeft de middelen ontwikkeld om de virale afgifte te verbeteren en hoopt de nieuwe lichtsensor in te voegen in een vergelijkbaar hoog percentage ganglioncellen, een hoeveelheid die overeenkomt met het zeer hoge aantal pixels in een camera.

De oranje lijnen volgen de beweging van muizen tijdens de eerste minuut nadat ze onderzoekers ze in een vreemde kooi hebben geplaatst. Blinde muizen (boven) houden voorzichtig de hoeken en zijkanten vast, terwijl behandelde muizen (midden) de kooi bijna net zo verkennen als normaalziende muizen (onder). (Credit: Ehud Isacoff / John Flannery)

Isacoff en Flannery kwamen na een decennium van proberen meer gecompliceerde schema's, waaronder het invoegen in overlevende retinale cellen combinaties van genetisch gemanipuleerde neurotransmitter receptoren en lichtgevoelige chemische schakelaars. Deze werkten, maar bereikten niet de gevoeligheid van normaal zicht. Opsins van elders geteste microben hadden ook een lagere gevoeligheid, waarvoor het gebruik van een lichtversterkende bril nodig was.

Om de hoge gevoeligheid van natuurlijk zicht vast te leggen, wendden de onderzoekers zich tot de lichtreceptoropstellingen van fotoreceptorcellen. Met behulp van een adeno-geassocieerd virus dat van nature ganglioncellen infecteert, leverden ze met succes het gen voor een retinale opsin in het genoom van de ganglioncellen. De voorheen blinde muizen kregen een visie die levenslang heeft geduurd.

"Dat dit systeem werkt, is echt heel bevredigend, deels omdat het ook heel eenvoudig is," zegt Isacoff. "Ironisch genoeg had je dit 20 jaren geleden al kunnen doen."

De onderzoekers werven fondsen om de gentherapie binnen drie jaar in een proef voor mensen te laten uitvoeren. Vergelijkbare AAV-toedieningssystemen zijn door de FDA goedgekeurd voor oogziekten bij mensen met degeneratieve retinale aandoeningen en die geen medisch alternatief hebben.

De kansen tarten

Volgens Flannery en Isacoff zouden de meeste mensen in het visieveld zich afvragen of operatoren buiten hun gespecialiseerde fotoreceptorcellen voor staaf en kegel zouden kunnen werken. Het oppervlak van een fotoreceptor is versierd met opsins-rodopsine in staven en rode, groene en blauwe opsins in kegeltjes ingebed in een gecompliceerde moleculaire machine. Een moleculair relais - de aan G-eiwit gekoppelde receptor signalerende cascade - versterkt het signaal zo effectief dat we in staat zijn om enkele fotonen van licht te detecteren.

Een enzymsysteem laadt de operatie op zodra het het foton detecteert en "gebleekt" wordt. Feedbackregeling past het systeem aan op zeer verschillende achtergrondhelderheden. En een gespecialiseerd ionenkanaal genereert een krachtig spanningssignaal. Zonder dit hele systeem te transplanteren, was het redelijk om te vermoeden dat de opsin niet zou werken.

In een normaal netvlies detecteren fotoreceptoren - staven (blauw) en kegeltjes (groen) - het licht en relais signalen naar andere lagen van het oog, eindigend in de ganglioncellen (paars), die direct praten met het visueel centrum van de hersenen. (Credit: UC Berkeley)

Maar Isacoff, die gespecialiseerd is in G-eiwit-gekoppelde receptoren in het zenuwstelsel, wist dat veel van deze onderdelen in alle cellen voorkomen. Hij vermoedde dat een opsin automatisch verbinding zou maken met het signaleringssysteem van de retinale ganglioncellen. Samen probeerden hij en Flannery in eerste instantie rhodopsin, dat gevoeliger is voor licht dan kegel-operaties.

Tot hun vreugde, toen ze rododinin introduceerden in de ganglioncellen van muizen waarvan de staven en kegeltjes volledig waren gedegenereerd en die bijgevolg blind waren, herwonnen de dieren het vermogen om het duister te onderscheiden van licht - zelfs zwak kamerlicht. Maar rhodopsin bleek te traag en faalde in beeld- en objectherkenning.

Ze probeerden toen de groene kegel opsin, die 10 sneller reageerde dan rhodopsin. Opmerkelijk genoeg konden de muizen parallelle lijnen onderscheiden van horizontale lijnen, lijnen op korte afstand van elkaar versus ver uit elkaar geplaatst (een standaardtaak voor menselijke scherpte), bewegende lijnen versus stationaire lijnen. De herstelde visie was zo gevoelig dat iPads konden worden gebruikt voor de visuele displays in plaats van veel helderdere LED's.

"Dit bracht de boodschap krachtig naar huis," zegt Isacoff. "Tenslotte, hoe mooi zou het zijn voor blinden om weer de mogelijkheid te krijgen om een ​​standaard computerscherm te lezen, per video te communiceren, een film te kijken."

Door deze successen willen Isacoff en Flannery een stap verder gaan en ontdekken of dieren met gerestaureerde visie in de wereld kunnen navigeren. Opvallend was ook hier dat de groene kegel opsin een succes was. Muizen die blind waren, herwonnen hun vermogen om een ​​van hun meest natuurlijke gedragingen uit te voeren: het herkennen en verkennen van driedimensionale objecten.

Vervolgens stelden ze de vraag: "Wat zou er gebeuren als iemand met een hersteld gezichtsvermogen buitenshuis naar een helderder licht zou gaan? Zouden ze worden verblind door het licht? "Hier kwam een ​​ander opvallend kenmerk van het systeem naar voren, zegt Isacoff: De groene kegel opsin signaleringstraject past zich aan. Dieren die eerder blind waren, werden aangepast aan de helderheidsverandering en konden de taak net zo goed uitvoeren als waargenomen dieren. Deze aanpassing werkte over een bereik van ongeveer een duizendvoudig-het verschil, in wezen, tussen gemiddelde binnen- en buitenverlichting.

"Wanneer iedereen zegt dat het nooit zal werken en dat je gek bent, betekent dat meestal dat je ergens op bent", zegt Flannery. Inderdaad, dat komt neer op de eerste succesvolle restauratie van patroonvisie met behulp van een LCD-computerscherm, de eerste die zich aanpast aan veranderingen in omgevingslicht en de eerste die de natuurlijke objectvisie herstelt.

Het onderzoek verschijnt in Nature Communications. Het team is nu aan het werk met het testen van variaties op het thema die het kleurenzicht kunnen herstellen en de scherpte en aanpassing verder kunnen verhogen. Het National Eye Institute van de National Institutes of Health, het ontwikkelingscentrum voor nanogeneeskunde voor de optische controle van biologische functies, de stichting voor blindheid, de Hope for Vision Foundation en het Lowy Medical Research Institute ondersteunden het onderzoek.

Bron: UC Berkeley

Verwante Boeken

at InnerSelf Market en Amazon