Topi ciechi ottengono la loro vista indietro dopo l'inserimento genico

Topi ciechi ottengono la loro vista indietro dopo l'inserimento genicoGli scienziati hanno inserito un gene per un recettore a luce verde negli occhi di topi ciechi e, un mese dopo, i topi navigavano attorno agli ostacoli con la stessa facilità di quelli senza problemi di vista.

I topi potevano vedere il movimento, la luminosità cambia in un intervallo di migliaia di volte e i dettagli su un iPad sufficiente a distinguere le lettere.

I ricercatori dicono che, in meno di tre anni, la terapia genica - che hanno trasmesso attraverso un virus inattivo - potrebbe andare a testare in esseri umani che hanno perso la vista a causa della degenerazione retinica, dando loro una visione sufficiente per muoversi e potenzialmente ripristinare la loro capacità di leggere o guardare un video.

"Inseriresti questo virus nell'occhio di una persona e, un paio di mesi dopo, vedrebbero qualcosa", dice Ehud Isacoff, professore di biologia molecolare e cellulare all'Università della California, Berkeley, e direttore della Helen Wills. Istituto di neuroscienze.

"... quanto sarebbe meraviglioso per i non vedenti riconquistare la capacità di leggere un monitor standard del computer, comunicare per video, guardare un film."

"Con le malattie neurodegenerative della retina, spesso tutte le persone cercano di fermarsi o rallentare un'ulteriore degenerazione. Ma qualcosa che ripristina un'immagine in pochi mesi, è una cosa incredibile a cui pensare. "

Circa 170 milioni di persone in tutto il mondo vivono con la degenerazione maculare legata all'età, che colpisce una persona 10 di età superiore a 55, mentre 1.7 milioni di persone in tutto il mondo hanno la forma più comune di cecità ereditaria, la retinite pigmentosa, che in genere lascia le persone cieche per l'età di 40.

"Ho amici senza percezione della luce, e il loro stile di vita è straziante", dice John Flannery, professore di biologia molecolare e cellulare che fa parte della facoltà di Facoltà di Optometria.

"Devono considerare ciò che le persone vedute danno per scontato. Ad esempio, ogni volta che vanno in un hotel, ogni layout di camera è un po 'diverso, e hanno bisogno di qualcuno che li cammini per la stanza mentre costruiscono una mappa 3D nella loro testa. Oggetti quotidiani, come un tavolino basso, possono rappresentare un pericolo di caduta. Il peso della malattia è enorme tra le persone con grave e disabilitante perdita della vista e potrebbero essere i primi candidati a questo tipo di terapia ".

Topi ciechi ottengono la loro vista indietro dopo l'inserimento genicoLa nuova terapia prevede l'iniezione di virus inattivati ​​nel vitreo per trasportare un gene direttamente nelle cellule gangliari. Versioni precedenti della terapia virale richiedevano l'iniezione dei virus sotto la retina (in basso). (Credito: John Flannery)

Attualmente, le opzioni per tali pazienti sono limitate a un impianto elettronico per gli occhi collegato a una videocamera che si trova su un paio di occhiali: una configurazione scomoda, invasiva e costosa che produce un'immagine sulla retina che è equivalente, attualmente, a poche centinaia pixel. La visione normale e nitida coinvolge milioni di pixel.

Anche la correzione del difetto genetico responsabile della degenerazione retinica non è semplice, perché ci sono più di 250 diverse mutazioni genetiche responsabili della sola retinite pigmentosa. Circa la percentuale di 90 di questi uccide le cellule dei fotorecettori della retina, le barre sensibili alla luce fioca ei coni, per la percezione del colore diurna. Ma la degenerazione retinica in genere risparmia altri strati di cellule retiniche, comprese le cellule gangliari bipolari e retiniche, che possono rimanere in buona salute, anche se insensibili alla luce, per decenni dopo che le persone diventano totalmente cieche.

Nei loro studi sui topi, i ricercatori sono riusciti a rendere 90 percentuale delle cellule ganglionari sensibili alla luce.

Un sistema semplice

Per invertire la cecità in questi topi, i ricercatori hanno progettato un virus mirato alle cellule gangliari della retina e l'hanno caricato con il gene per un recettore sensibile alla luce, l'opsina verde (con lunghezza d'onda media) del cono. Normalmente, solo le cellule con fotoricettore a cono esprimono questa opsina e le rende sensibili alla luce verde-gialla. Quando i ricercatori l'hanno iniettato nell'occhio, il virus ha trasportato il gene in cellule gangliari, che normalmente sono insensibili alla luce, e le ha rese sensibili alla luce e in grado di inviare segnali al cervello che interpretava come vista.

"Per i limiti che possiamo testare i topi, non si può dire il comportamento dei topi trattati con l'optogeneticamente dai topi normali senza attrezzature speciali", dice Flannery. "Resta da vedere in che cosa si traduce in un paziente."

Nei topi, i ricercatori hanno consegnato le opsine alla maggior parte delle cellule del ganglio nella retina. Per trattare gli esseri umani, avrebbero bisogno di iniettare molte più particelle virali perché l'occhio umano contiene migliaia di volte più cellule gangliari rispetto all'occhio del topo. Ma il team ha sviluppato i mezzi per migliorare la trasmissione virale e spera di inserire il nuovo sensore di luce in una percentuale altrettanto elevata di cellule gangliari, una quantità equivalente ai numeri di pixel molto alti in una fotocamera.

Topi ciechi ottengono la loro vista indietro dopo l'inserimento genicoLe linee arancioni tracciano il movimento dei topi durante il primo minuto dopo che i ricercatori li hanno messi in una strana gabbia. I topi ciechi (in alto) si mantengono prudentemente agli angoli e ai lati, mentre i topi trattati (al centro) esplorano la gabbia quasi quanto i normali topi avvistati (in basso). (Credito: Ehud Isacoff / John Flannery)

Isacoff e Flannery si sono imbattuti nella semplice soluzione dopo più di un decennio di tentativi di schemi più complicati, incluso l'inserimento in combinazioni di cellule retiniche sopravvissute di recettori neurotrasmettitori geneticamente modificati e interruttori chimici sensibili alla luce. Questi hanno funzionato, ma non hanno raggiunto la sensibilità della visione normale. Anche le opsine di microbi testati altrove avevano una sensibilità inferiore, richiedendo l'uso di occhiali per l'amplificazione della luce.

Per catturare l'alta sensibilità della visione naturale, i ricercatori si sono rivolti alle opsine del recettore della luce delle cellule dei fotorecettori. Usando un virus adeno-associato che infetta naturalmente le cellule gangliari, hanno consegnato con successo il gene per una opsina retinica nel genoma delle cellule gangliari. I topi precedentemente ciechi hanno acquisito una visione durata una vita.

"Il funzionamento di questo sistema è davvero soddisfacente, in parte perché è anche molto semplice", afferma Isacoff. "Ironia della sorte, avresti potuto fare questo 20 anni fa."

I ricercatori stanno raccogliendo fondi per portare la terapia genica in un trial umano entro tre anni. Sistemi di consegna dell'AAV simili sono stati approvati dalla FDA per le malattie degli occhi in persone con condizioni degenerative della retina e che non hanno alternative mediche.

Sfidare le probabilità

Secondo Flannery e Isacoff, la maggior parte delle persone nel campo della visione si domanderebbe se le opsine potessero funzionare al di fuori delle loro cellule di fotoricettori con coni e bastoncelli specializzati. La superficie di un fotoricettore è decorata con opsins-rodopsin in verghe e opsine rosse, verdi e blu in coni incastonati in una complicata macchina molecolare. Un relè molecolare - la cascata di segnali del recettore accoppiato con proteine ​​G - amplifica il segnale in modo così efficace da essere in grado di rilevare singoli fotoni di luce.

Un sistema enzimatico ricarica l'opsina una volta rilevato il fotone e diventa "sbiancato". La regolazione del feedback adatta il sistema a una luminosità dello sfondo molto diversa. E un canale ionico specializzato genera un potente segnale di tensione. Senza trapiantare l'intero sistema, era ragionevole sospettare che l'opsin non avrebbe funzionato.

Topi ciechi ottengono la loro vista indietro dopo l'inserimento genicoIn una retina normale, i fotorecettori - aste (blu) e coni (verdi) - rilevano i segnali di luce e di relè ad altri strati dell'occhio, terminando nelle cellule gangliari (viola), che parlano direttamente al centro di visione del cervello. (Credito: UC Berkeley)

Ma Isacoff, specializzato in recettori accoppiati a proteine ​​G nel sistema nervoso, sapeva che molte di queste parti esistono in tutte le cellule. Sospettava che un opsin si connettesse automaticamente al sistema di segnalazione delle cellule gangliari retiniche. Insieme, lui e Flannery hanno inizialmente provato la rodopsina, che è più sensibile alla luce rispetto alle opsine del cono.

Per la loro gioia, quando introdussero la rodopsina nelle cellule gangliari di topi le cui verghe e coni erano completamente degenerati, e che di conseguenza erano ciechi, gli animali riacquistarono la capacità di distinguere il buio dalla luce, persino la debole luce della stanza. Ma la rodopsina si è rivelata troppo lenta e ha fallito nel riconoscimento di immagini e oggetti.

Hanno quindi provato l'opsin cono verde, che ha risposto 10 volte più velocemente rispetto alla rodopsina. Sorprendentemente, i topi erano in grado di distinguere il parallelo dalle linee orizzontali, le linee strettamente distanziate rispetto a quelle molto distanziate (un compito standard per l'acutezza umana), le linee mobili rispetto alle linee stazionarie. La visione restaurata era così sensibile che gli iPad potevano essere utilizzati per i display visivi invece che per i LED molto più brillanti.

"Questo ha portato il messaggio a casa", dice Isacoff. "Dopo tutto, sarebbe meraviglioso per i non vedenti riconquistare la capacità di leggere un monitor standard del computer, comunicare per video, guardare un film."

Questi successi hanno fatto sì che Isacoff e Flannery volessero andare oltre e scoprire se gli animali potevano navigare nel mondo con una visione restaurata. Sorprendentemente, anche qui, il cono verde opsin è stato un successo. I topi ciechi hanno riacquistato la capacità di eseguire uno dei loro comportamenti più naturali: riconoscere ed esplorare oggetti tridimensionali.

Poi hanno posto la domanda: "Che cosa accadrebbe se una persona con una visione restaurata andasse all'aperto in una luce più brillante? Sarebbero accecati dalla luce? "Qui emerse un'altra caratteristica sorprendente del sistema, Isacoff dice: La via di segnalazione verde cono opsin si adatta. Gli animali precedentemente ciechi si sono adattati al cambiamento di luminosità e potevano eseguire l'operazione altrettanto bene come animali vedenti. Questo adattamento ha funzionato su una scala di circa mille volte, la differenza, essenzialmente, tra l'illuminazione media interna ed esterna.

"Quando tutti dicono che non funzionerà mai e che sei pazzo, di solito significa che sei su qualcosa", dice Flannery. In effetti, quel qualcosa equivale al primo ripristino riuscito della visione modellata utilizzando uno schermo LCD per computer, il primo ad adattarsi ai cambiamenti di luce ambientale, e il primo a ripristinare la visione di oggetti naturali.

La ricerca appare in Nature Communications. Il team è ora al lavoro per testare variazioni sul tema che potrebbero ripristinare la visione dei colori e aumentare ulteriormente l'acutezza e l'adattamento. Il National Eye Institute del National Institutes of Health, il Nanomedicine Development Center per il controllo ottico della funzione biologica, la Foundation for Fighting Blindness, Hope for Vision Foundation e Lowy Medical Research Institute hanno supportato la ricerca.

Fonte: UC Berkeley

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