Zespół naukowców finansowany przez amerykański National Institutes of Health (NIH) opracował nowatorskie systemy dostarczania genów, które umożliwiają precyzyjne dostarczanie materiału genetycznego do wybranych typów komórek nerwowych w mózgu i rdzeniu kręgowym człowieka. To przełomowe osiągnięcie toruje drogę nowoczesnej terapii genowej układu nerwowego, która może zrewolucjonizować leczenie zaburzeń neurologicznych, nie tylko łagodząc objawy, ale także docierając bezpośrednio do źródła problemu.
Nowe narzędzia bazują na wykorzystaniu specjalnie zmodyfikowanych, uproszczonych wirusów AAV (adeno-associated virus), które pełnią funkcję „wektorów” – swego rodzaju mikroskopijnych ciężarówek dostarczających wybrane sekwencje DNA bezpośrednio do konkretnych typów komórek. Dzięki tej technologii naukowcy mogą badać i kontrolować działanie wybranych obwodów neuronalnych, analizować funkcjonowanie struktur mózgowych czy też wywoływać lub wyciszać ich aktywność za pomocą białek fluorescencyjnych lub optogenetycznych. W efekcie możliwe jest m.in. badanie zachowań, procesów poznawczych oraz mechanizmów chorób neurologicznych w niespotykany dotąd sposób – precyzyjny, selektywny i nieinwazyjny.
Jak obrazowo ujął to dyrektor inicjatywy BRAIN Initiative®, dr John Ngai, nowy system działa jak dostawca genetycznego ładunku do konkretnych „dzielnic komórkowych” w mózgu i rdzeniu kręgowym. Co istotne, narzędzia te sprawdzono nie tylko w modelach zwierzęcych, ale również w ludzkich próbkach tkanek, na przykład pochodzących z operacji neurochirurgicznych, co dodaje projektowi ogromnej wiarygodności i praktyczności.
Wśród zaawansowanych możliwości oferowanych przez nowe systemy znajdują się między innymi:
– Dziesiątki opcji transferu genów pochodzących z różnych wariantów AAV, które wybiórczo kierują materiał genetyczny do określonych komórek mózgowych – w tym komórek pobudzających, hamujących, neuronów kory i prążkowia, komórek naczyń mózgowych czy też trudnodostępnych neuronów rdzenia kręgowego odpowiadających za ruch i szczególnie narażonych w chorobach takich jak stwardnienie zanikowe boczne (ALS) czy rdzeniowy zanik mięśni (SMA).
– Wykorzystanie sztucznej inteligencji do opracowania algorytmów, które identyfikują tzw. włączniki genów (enhancery) – czyli fragmenty DNA odpowiedzialne za aktywację konkretnych genów w wybranych typach komórek. Dzięki temu naukowcy mogą znacznie szybciej i efektywniej projektować narzędzia terapeutyczne.
Zgromadzony w ramach projektu zestaw narzędzi ma szczególne znaczenie dla badań nad korą przedczołową – obszarem mózgu, który odgrywa kluczową rolę w podejmowaniu decyzji i odpowiada za wiele unikalnych cech człowieka. Dzięki temu możliwe będzie głębsze zrozumienie funkcjonowania zdrowych i chorych komórek nerwowych, w tym także lepsze poznanie szlaków komunikacyjnych zaburzonych w epilepsji, Parkinsonie, chorobie Alzheimera, Huntingtona, ALS, a także w licznych zaburzeniach psychicznych.
Część tych rozwiązań ma już swoje odpowiedniki kliniczne – na przykład zatwierdzona w 2016 roku terapia genowa Zolgensma dla dzieci cierpiących na rdzeniowy zanik mięśni, która znacząco poprawia jakość i długość życia pacjentów. Nowe systemy otwierają drogę do jeszcze bardziej zaawansowanych terapii, które będą w stanie działać selektywnie – tylko na chore komórki, bez ingerencji w zdrowe części mózgu czy rdzenia kręgowego.
Opracowane zestawy narzędzi dostępne są już dla naukowców poprzez centra dystrybucyjne, takie jak Addgene – globalny dostawca narzędzi genetycznych dla środowisk badawczych. W ramach publikacji towarzyszących projektowi udostępniono również szczegółowe instrukcje i procedury, które ułatwiają wdrażanie nowych technologii nawet w warunkach laboratoriów akademickich na całym świecie.
Projekt jest finansowany z funduszy NIH w ramach prestiżowej inicjatywy BRAIN Initiative®, uruchomionej w celu rozwijania innowacyjnych technologii i narzędzi do badań nad mózgiem. Prace badawcze rozpoczęto mniej niż cztery lata temu, a już teraz ich efektem jest stworzenie wartościowej platformy badawczej: Armamentarium for Precision Brain Cell Access. Ta kompleksowa inicjatywa łączy kompetencje specjalistów z dziedzin biologii molekularnej, neurobiologii oraz sztucznej inteligencji i skupia się na tworzeniu systemów gwarantujących precyzyjny, powtarzalny dostęp do określonych komórek i obwodów nerwowych.
Wyniki prac opublikowano 21 maja w prestiżowych czasopismach naukowych takich jak Neuron, Cell, Cell Reports, Cell Genomics oraz Cell Reports Methods, co podkreśla rangę i przełomowość tych badań dla przyszłości medycyny oraz neurologii.
