基因插入後,盲小鼠會恢復視力

基因插入後,盲小鼠會恢復視力科學家將綠光受體的基因插入到盲目的老鼠的眼睛中,一個月後,小鼠在障礙物周圍航行,就像那些沒有視力問題的人一樣容易。

老鼠可以看到動作,亮度變化超過千倍範圍,iPad上的精細細節足以區分字母。

研究人員表示,在短短三年內,他們通過非活性病毒傳播的基因治療可以用於因視網膜變性而失明的人類進行檢測,理想情況下給予他們足夠的視力來移動並可能恢復他們閱讀或觀看視頻的能力。

“你會把這種病毒注射到一個人的眼中,幾個月之後,他們會看到一些東西,”加州大學伯克利分校分子和細胞生物學教授,海倫威爾斯的主任埃胡德·伊薩科夫說。神經科學研究所。

“......盲人重新獲得閱讀標準電腦顯示器,通過視頻進行交流,觀看電影的能力是多麼美妙。”

“對於視網膜的神經退行性疾​​病,通常所有人都試圖停止或減緩進一步的退化。 但是在幾個月內恢復形象的東西 - 這是一個令人驚奇的事情。“

全世界約有170百萬人患有與年齡相關的黃斑變性,10年齡的55患者中有一人患病,而全球1.7百萬人患有最常見的遺傳性失明症 - 視網膜色素變性,這通常會使人失明40

“我有沒有光感的朋友,他們的生活方式令人心痛,”分子和細胞生物學教授,視光學院教授John Flannery說。

“他們必須考慮視力正常的人認為理所當然。 例如,每次去酒店時,每個房間的佈局都會有所不同,他們需要有人在房間裡走動,同時在他們的腦海中構建一張3D地圖。 日常物品,如低矮的咖啡桌,可能會造成危險。 患有嚴重視力喪失的嚴重視力障礙患者的疾病負擔巨大,他們可能是這類治療的首選候選人。“

基因插入後,盲小鼠會恢復視力新療法包括將滅活的病毒注射到玻璃體中以將基因直接攜帶到神經節細胞中。 早期版本的病毒治療需要在視網膜下方注射病毒(底部)。 (圖片來源:John Flannery)

目前,這類患者的選擇僅限於連接到坐在一副眼鏡上的攝像機的電子眼植入物 - 一種笨拙,侵入性和昂貴的設置,在視網膜上產生相當於目前幾百的圖像像素。 正常,銳利的視覺涉及數百萬像素。

糾正導致視網膜變性的遺傳缺陷也不是直截了當的,因為不僅250不同的基因突變導致單獨的視網膜色素變性。 關於90這些中的百分比會殺死視網膜的感光細胞 - 對昏暗的光敏感的視桿和視錐細胞,用於日光顏色感知。 但視網膜變性通常會使視網膜細胞的其他層面不受影響,包括雙極和視網膜神經節細胞,這些細胞在人們完全失明後數十年才能保持健康,雖然對光線不敏感。

在他們的小鼠試驗中,研究人員成功地使90百分比的神經節細胞對光敏感。

一個簡單的系統

為了逆轉這些小鼠的失明,研究人員設計了一種靶向視網膜神經節細胞的病毒,並將其加載到光敏感受體的基因中,綠色(中等波長)視錐細胞視蛋白。 通常,只有視錐感光細胞表達這種視蛋白,它使它們對綠黃色光敏感。 當研究人員將其註入眼睛時,病毒將該基因攜帶到通常對光不敏感的神經節細胞中,使它們對光敏感並能夠向大腦發送信號,將其解釋為視線。

“對於我們可以測試小鼠的極限,你不能告訴光學處理小鼠的行為來自沒有特殊設備的正常老鼠,”弗蘭納里說。 “還有待觀察病人的轉化情況。”

在小鼠中,研究人員將視蛋白傳遞給視網膜中的大多數神經節細胞。 為了治療人類,他們需要注射更多的病毒顆粒,因為人眼比小鼠眼睛含有數千倍的神經節細胞。 但該團隊已經開發出增強病毒傳遞的方法,並希望將新的光傳感器插入到同樣高百分比的神經節細胞中,這相當於相機中非常高的像素數。

基因插入後,盲小鼠會恢復視力在研究人員將它們放入一個奇怪的籠子後的第一分鐘,橙色線條跟踪老鼠的運動。 盲小鼠(上)小心翼翼地保持在角落和側面,而受治療的小鼠(中間)探測籠子幾乎與正常視力小鼠(下圖)一樣多。 (圖片來源:Ehud Isacoff / John Flannery)

經過十多年的嘗試更複雜的方案,包括插入遺傳工程神經遞質受體和光敏化學開關的倖存視網膜細胞組合,Isacoff和Flannery得出了簡單的解決辦法。 這些工作,但沒有達到正常視力的敏感性。 來自其他地方測試的微生物的Opsins也具有較低的靈敏度,需要使用光放大護目鏡。

為了捕捉自然視覺的高靈敏度,研究人員轉向光感受器細胞的光受體視蛋白。 使用天然感染神經節細胞的腺相關病毒,他們成功地將視網膜視蛋白的基因傳遞到神經節細胞的基因組中。 先前失明的老鼠獲得持續一生的視力。

“這個系統真的非常令人滿意,部分原因在於它也非常簡單,”Isacoff說。 “具有諷刺意味的是,你可以在幾年前完成這個20。”

研究人員正在籌集資金,在三年內將基因療法納入人體試驗。 類似的AAV遞送系統已被FDA批准用於患有退行性視網膜病症且沒有醫學替代品的人的眼病。

無視賠率

根據Flannery和Isacoff的說法,視力領域的大多數人都會質疑視蛋白是否可以在他們專門的視桿細胞和錐形感光細胞之外工作。 感光器的表面裝飾有棒中的視蛋白 - 視紫紅質和嵌入複雜分子機器中的錐體中的紅色,綠色和藍色視蛋白。 分子中繼--G蛋白偶聯受體信號級聯 - 放大信號,使我們能夠檢測到單個光子。

一旦檢測到光子並且變為“漂白”,酶系統就會對視蛋白進行充電。反饋調節使系統適應不同的背景亮度。 並且專門的離子通道產生有效的電壓信號。 如果不移植整個系統,懷疑操作不起作用是合理的。

基因插入後,盲小鼠會恢復視力在正常視網膜中,光感受器 - 桿(藍色)和視錐細胞(綠色) - 檢測光並將信號傳遞到眼睛的其他層,以神經節細胞(紫色)結束,直接與大腦的視覺中心對話。 (圖片來源:加州大學伯克利分校)

但Isacoff專門研究神經系統中的G蛋白偶聯受體,他知道所有細胞中都存在許多這些部位。 他懷疑視蛋白會自動連接到視網膜神經節細胞的信號系統。 他和Flannery最初一起嘗試了視紫紅質,它比光視蛋白更敏感。

令他們高興的是,當他們將視紫紅質引入小鼠的神經節細胞時,這些老鼠的視桿和視錐細胞已經完全退化,並且因此失明,這些動物重新獲得了從光線 - 甚至微弱的室內光線中辨別黑暗的能力。 但視紫紅質結果太慢,在圖像和物體識別方面都失敗了。

然後他們嘗試了綠色錐形視蛋白,它比視紫紅質更快地響應10倍。 值得注意的是,這些老鼠能夠區分平行線和水平線,線間距離較遠(標准人類視敏度任務),移動線與靜止線。 恢復的視野非常敏感,iPad可以用於視覺顯示而不是更亮的LED。

“這有力地將信息帶回家,”伊薩科夫說。 “畢竟,盲人重新獲得閱讀標準電腦顯示器,通過視頻進行交流,觀看電影的能力是多麼美妙。”

這些成功使得Isacoff和Flannery想要更進一步,並找出動物是否可以在視力恢復的世界中航行。 引人注目的是,綠錐視覺也是成功的。 盲目的老鼠重新獲得了執行其最自然行為的能力:識別和探索三維物體。

然後他們問了一個問題,“如果視力恢復的人在戶外進入更明亮的光線會怎樣? 他們會被光線蒙蔽嗎?“在這裡,系統的另一個顯著特徵出現了,Isacoff說:綠色錐體視網膜信號通路適應。 動物以前盲目地調整到亮度變化,並且可以像看見的動物一樣執行任務。 這種適應性工作在大約一千倍的範圍內 - 差別在於平均室內和室外照明之間的差異。

弗蘭納里說:“當每個人都說它永遠不會起作用而且你瘋了,通常這意味著你會做些什麼。” 事實上,這相當於第一次成功恢復使用LCD計算機屏幕的圖案視覺,第一次適應環境光的變化,第一次恢復自然物體視覺。

該研究出現在 自然通信。 該團隊現在正在測試主題的變化,可以恢復色覺,進一步提高敏銳度和適應性。 國立衛生研究院國家眼科研究所,生物功能光學控制納米醫學發展中心,防盲基金會,願景基金會和洛伊醫學研究所支持這項研究。

資源: 加州大學伯克利分校

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