Researchers use optogenetics to repair damaged nerve in a mouse
by Bob Yirka report
Researchers use optogenetics to repair damaged nerve in a mouse
(Medical Xpress)—A combined team of neuroscientists and optogenics researchers in the U.K. has developed a technique for using light to restore function to muscles made useless by damaged nerves. In their paper published in the journal Science, the team describes their technique and how it might prove useful in humans sometime in the future. Shrivats Iyer and Scott Delp provide more insight into the work done by the researchers in a Perspective piece in the same journal issue.
Damaged nerves, whether due to trauma or disease are still a major health problem, leading to a wide variety of disabilities in people around the world. At its root, the problem quite often boils down to an inability to cause nerve cells to regenerate. In this new effort, the researchers set out to discern if optogentics might help.
Optogentics is where cells are modified to produce proteins that respond to light. With nerve cells, that would mean the presence of light would cause them to fire. Up till now, most research involving optogenetics has revolved around brain studies. In this new effort, the researchers used what has been learned to date to cause the restoration of muscle function in a mouse leg.
The researchers started by modifying a group of embryonic stems cell to cause them to produce a protein responsive to light. Next, they programed the cells to grow into nerve cells, which were implanted onto the ligated sciatic nerve of a mouse. After allowing time for the implanted cells to integrate with the existing cells, the researches cut the mouse open again and shone a light on the implant. Doing, so, they discovered, caused activation of the leg muscles.
The results of the research suggests that optgenetics might be useful as a therapeutic technique, not as a means of instantly restoring function—it would be used in a way similar to electrical stimulation therapy techniques that encourage the regeneration of lost nerve cells.
Also, while the research does show that nerve pathways can be reestablished using optogenetics, as Iyer and Delp point out, there is still a lot to be learned before such science might be used for treatment in humans. One serious question is whether the technique could be used on a patient that is not under anesthesia, or would it cause too much pain in someone who is awake. Another is how to control the flow of electricity from the cells to the muscle—in the study, repeated activations led to deformed muscle structure.
Explore further: Researchers increase, decrease pain sensitivity using light
More information: Optical Control of Muscle Function by Transplantation of Stem Cell–Derived Motor Neurons in Mice, Science 4 April 2014: Vol. 344 no. 6179 pp. 94-97 DOI: 10.1126/science.1248523
Abstract
Damage to the central nervous system caused by traumatic injury or neurological disorders can lead to permanent loss of voluntary motor function and muscle paralysis. Here, we describe an approach that circumvents central motor circuit pathology to restore specific skeletal muscle function. We generated murine embryonic stem cell–derived motor neurons that express the light-sensitive ion channel channelrhodopsin-2, which we then engrafted into partially denervated branches of the sciatic nerve of adult mice. These engrafted motor neurons not only reinnervated lower hind-limb muscles but also enabled their function to be restored in a controllable manner using optogenetic stimulation. This synthesis of regenerative medicine and optogenetics may be a successful strategy to restore muscle function after traumatic injury or disease.
Press release
Journal reference: Science
Le Scienze
04 aprile 2014
Un nuovo approccio per riparare muscoli paralizzati
Il trapianto di neuroni motori ingegnerizzati in modo da attivarsi grazie a impulsi di luce potrebbe in futuro restituire la capacità di contrarsi a muscoli paralizzati in seguito a traumi o malattie neurodegenerative. La tecnica, ancora alle prime fasi di sperimentazione sul modello animale, sarebbe particolarmente utile nei casi di paralisi ai muscoli respiratori (red)
staminalifisiologiamedicina
Recuperare la funzionalità dei muscoli perduta a causa di traumi o malattie neurodegenerative sarebbe possibile - il condizionale è d'obbligo - grazie a un nuovo approccio attualmente allo studio presso l'University College London e il King's Colleg di Londra. La tecnica, descritta su “Science”, coniuga la medicina rigenerativa basata sulle staminali e l'optogenetica, che ingegnerizza cellule in grado di attivarsi grazie a un impulso luminoso generato artificialmente.
Finora i tentativi di sostituire i motoneuroni danneggiati che innervano i muscoli hanno puntato sul trapianto di nuovi neuroni derivati dalle cellule staminali embrionali (CSE), ottenendo però successi limitati. I neuroni motori derivati dalle CSE riescono infatti a innervare nuovamente i muscoli che erano rimasti denervati, ma non ricevono gli input dal sistema nervoso centrale, da cui restano scollegati. Di conseguenza, hanno bisogno di una stimolazione artificiale, il che rende più agevole applicare la tecnica, almeno in linea di principio, a muscoli con un ritmo di contrazione costante, come quelli dell'apparato respiratorio.
Un nuovo approccio per riparare muscoli paralizzati
Microfotografia di un motoneurone (in rosa) che innerva un muscolo. (© CNRI AND SCIENCE PHOTO LIBRARY/Science Photo Library/Corbis)
Dato che la stimolazione artificiale dei motoneuroni con impulsi elettrici è problematica perché finisce per attivare anche altri neuroni limitrofi e indurre contrazioni di tipo tetanico, Barney Bryson e colleghi hanno pensato di utilizzare come segnali di attivazione degli impulsi luminosi.
Lavorando sul topo, hanno creato una linea di cellule staminali embrionali in cui è stato inserito un gene per la produzione di una proteina, la canalrodopsina-2, che è sensibile alla luce. Una volta che le staminali sono diventate motoneuroni maturi, questi - grazie alla canalrodopsina-2 - si attivano ogni volta che sono raggiunti da un impulso luminoso.
I ricercatori hanno quindi trapiantato i nuovi motoneuroni in topi con i muscoli degli arti posteriori paralizzati. I nuovi neuroni sono riusciti a ripristinare l'innervazione e così i ricercatori hanno potuto controllare l'intensità e la velocità di contrazione dei muscoli trasmettendo una serie di impulsi luminosi lungo una sottille fibra ottica.
Nonostante il successo - sottolineano gli autori - prima di pensare a una sperimentazione sull'uomo bisogna superare ancora due problemi. Anzitutto bisogna sviluppare un dispositivo per generare gli impulsi ottici che sia impiantabile. Il secondo problema è trovare - o sintetizzare - molecole analoghe alla canalrodospina 2 che siano però attivate da una luce di differente lunghezza d'onda. Le lunghezze d'onda necessarie a stimolare quella proteina sono infatti molto piccole e a lungo andare possono danneggiare i nuovi motoneuroni, che diventerebbero anch'essi inefficaci.