Blinde Mäuse erhalten ihre Sicht nach der Insertion von Genen zurück

Blinde Mäuse erhalten ihre Sicht nach der Insertion von Genen zurückWissenschaftler fügten ein Gen für einen Grünlichtrezeptor in die Augen blinder Mäuse ein, und einen Monat später bewegten sich die Mäuse so leicht um Hindernisse wie solche ohne Sehprobleme.

Die Mäuse konnten Bewegungen, Helligkeitsänderungen über einen tausendfachen Bereich und feine Details auf einem iPad erkennen, die ausreichen, um Buchstaben zu unterscheiden.

Die Forscher sagen, dass die Gentherapie, die sie über ein inaktives Virus verabreicht haben, innerhalb von drei Jahren an Menschen getestet werden könnte, die aufgrund von Netzhautdegeneration das Augenlicht verloren haben, wodurch sie im Idealfall genügend Sicht haben, um sich zu bewegen und möglicherweise wiederherzustellen ihre Fähigkeit, ein Video zu lesen oder anzusehen.

"Sie würden dieses Virus in das Auge einer Person injizieren und ein paar Monate später würden sie etwas sehen", sagt Ehud Isacoff, Professor für Molekular- und Zellbiologie an der University of California, Berkeley, und Direktor der Helen Wills Neuroscience Institute.

„… Wie wunderbar wäre es für blinde Menschen, wieder die Fähigkeit zu erhalten, einen Standard-Computermonitor zu lesen, per Video zu kommunizieren, einen Film anzusehen.“

„Bei neurodegenerativen Erkrankungen der Netzhaut versucht man oft nur, die weitere Degeneration anzuhalten oder zu verlangsamen. Aber etwas, das ein Bild in einigen Monaten wiederherstellt - es ist erstaunlich, darüber nachzudenken. “

Etwa 170 Millionen Menschen leben weltweit mit einer altersbedingten Makuladegeneration, die bei 10-Patienten über 55 im Alter von 1.7 auftritt, während 40 Millionen Menschen weltweit die häufigste Form der erblichen Blindheit, die Retinitis pigmentosa, haben, die Menschen im Alter normalerweise blind macht von XNUMX.

"Ich habe Freunde ohne Lichtwahrnehmung und ihr Lebensstil ist herzzerreißend", sagt John Flannery, Professor für Molekular- und Zellbiologie an der Fakultät für Optometrie.

„Sie müssen überlegen, was sehende Menschen für selbstverständlich halten. Jedes Mal, wenn sie in ein Hotel gehen, ist jede Raumaufteilung etwas anders, und sie brauchen jemanden, der sie durch den Raum führt, während sie eine 3D-Karte im Kopf bauen. Alltagsgegenstände wie ein niedriger Couchtisch können eine Sturzgefahr darstellen. Die Belastung durch Krankheiten ist bei Menschen mit schwerem Sehbehinderung enorm, und sie könnten die ersten Kandidaten für diese Art von Therapie sein. “

Blinde Mäuse erhalten ihre Sicht nach der Insertion von Genen zurückBei der neuen Therapie werden inaktivierte Viren in den Glaskörper injiziert, um ein Gen direkt in Ganglienzellen zu transportieren. Frühere Versionen der Virustherapie erforderten die Injektion der Viren unter die Netzhaut (unten). (Bildnachweis: John Flannery)

Gegenwärtig sind die Optionen für solche Patienten auf ein elektronisches Augenimplantat beschränkt, das mit einer Videokamera verbunden ist, die auf einer Brille sitzt - ein unbeholfenes, invasives und teures Setup, das ein Bild auf der Netzhaut erzeugt, das derzeit einigen hundert entspricht Pixel. Normales, scharfes Sehen beinhaltet Millionen von Pixeln.

Die Korrektur des Gendefekts, der für die Netzhautdegeneration verantwortlich ist, ist ebenfalls nicht einfach, da es mehr als 250 verschiedene genetische Mutationen gibt, die allein für die Retinitis pigmentosa verantwortlich sind. Etwa 90 Prozent dieser Zellen töten die Photorezeptorzellen der Retina - die für schwaches Licht empfindlichen Stäbchen und die Zapfen für die Farbwahrnehmung bei Tageslicht. Bei der retinalen Degeneration werden jedoch normalerweise andere Schichten der retinalen Zellen, einschließlich der bipolaren und der retinalen Ganglienzellen, geschont, die trotz einer Lichtunempfindlichkeit für Jahrzehnte gesund bleiben können, nachdem die Menschen völlig erblindet sind.

In ihren Versuchen an Mäusen gelang es den Forschern, 90-Prozent der Ganglienzellen lichtempfindlich zu machen.

Ein einfaches System

Um die Erblindung dieser Mäuse aufzuheben, entwickelten die Forscher ein Virus, das auf retinale Ganglienzellen abzielte, und luden es mit dem Gen für einen lichtempfindlichen Rezeptor, den grünen (mittelwelligen) Kegelopsin. Normalerweise exprimieren nur Photonenrezeptorzellen dieses Opsins und machen sie für grüngelbes Licht empfindlich. Als die Forscher es in das Auge injizierten, trug das Virus das Gen in Ganglienzellen, die normalerweise lichtunempfindlich sind, und machte sie lichtempfindlich und in der Lage, Signale an das Gehirn zu senden, die es als Sehvermögen interpretierte.

"Bis zu den Grenzen, an denen wir die Mäuse testen können, können Sie das Verhalten der optogenetisch behandelten Mäuse nur mit speziellen Geräten von den normalen Mäusen unterscheiden", sagt Flannery. "Es bleibt abzuwarten, was das bei einem Patienten bedeutet."

Bei Mäusen lieferten die Forscher die meisten Ganglienzellen in der Netzhaut mit Opsinen. Um Menschen zu behandeln, müssten sie viel mehr Viruspartikel injizieren, da das menschliche Auge tausendmal mehr Ganglienzellen enthält als das Mäuseauge. Das Team hat jedoch die Mittel entwickelt, um die Virusabgabe zu verbessern, und hofft, den neuen Lichtsensor in einen ähnlich hohen Prozentsatz von Ganglienzellen einsetzen zu können, eine Menge, die den sehr hohen Pixelzahlen einer Kamera entspricht.

Blinde Mäuse erhalten ihre Sicht nach der Insertion von Genen zurückDie orangefarbenen Linien zeigen die Bewegungen der Mäuse in der ersten Minute, nachdem die Forscher sie in einen merkwürdigen Käfig gebracht haben. Blinde Mäuse (oben) halten sich vorsichtig an den Ecken und Seiten, während behandelte Mäuse (Mitte) den Käfig fast so oft erkunden wie normal sehende Mäuse (unten). (Bildnachweis: Ehud Isacoff / John Flannery)

Isacoff und Flannery waren nach mehr als einem Jahrzehnt des Versuchens komplizierterer Systeme, einschließlich der Einfügung von Kombinationen von gentechnisch hergestellten Neurotransmitter-Rezeptoren und lichtempfindlichen chemischen Schaltern, in überlebende Retina-Zellen zu finden. Diese funktionierten, erreichten jedoch nicht die Empfindlichkeit des normalen Sehens. Opsins von Mikroben, die anderswo getestet wurden, wiesen auch eine geringere Empfindlichkeit auf, was die Verwendung einer lichtverstärkenden Schutzbrille erforderlich machte.

Um die hohe Empfindlichkeit des natürlichen Sehens zu erfassen, wandten sich die Forscher an die Lichtrezeptoropsine von Photorezeptorzellen. Mit einem Adeno-assoziierten Virus, das Ganglienzellen auf natürliche Weise infiziert, gelang es ihnen, das Gen für ein retinales Opsin erfolgreich in das Genom der Ganglienzellen zu transportieren. Die zuvor blinden Mäuse bekamen eine Vision, die ein Leben lang anhielt.

"Dass dieses System funktioniert, ist wirklich sehr befriedigend, zum Teil weil es auch sehr einfach ist", sagt Isacoff. "Ironischerweise hätten Sie dieses 20 vor Jahren machen können."

Die Forscher sammeln Geld, um die Gentherapie innerhalb von drei Jahren in eine Humanstudie aufzunehmen. Ähnliche AAV-Abgabesysteme wurden von der FDA für Augenkrankheiten bei Menschen mit degenerativen Netzhauterkrankungen und ohne medizinische Alternative zugelassen.

Die Chancen herausfordern

Laut Flannery und Isacoff würden die meisten Menschen im Visionsfeld die Frage stellen, ob Opsins außerhalb ihrer spezialisierten Stab- und Zapfen-Photorezeptorzellen arbeiten könnten. Die Oberfläche eines Fotorezeptors ist mit Opsinen verziert - Rhodopsin in Stäbchen und roten, grünen und blauen Opsinen in Zapfen -, eingebettet in eine komplizierte molekulare Maschine. Ein molekulares Relais - die G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Signalkaskade - verstärkt das Signal so effektiv, dass wir einzelne Lichtphotonen detektieren können.

Ein Enzymsystem lädt das Opsin wieder auf, sobald es das Photon detektiert und „gebleicht“ wird. Die Rückkopplungsregelung passt das System an sehr unterschiedliche Hintergrundhelligkeiten an. Ein spezieller Ionenkanal erzeugt ein starkes Spannungssignal. Ohne das gesamte System umpflanzen zu können, war es vernünftig anzunehmen, dass das Opsin nicht funktionieren würde.

Blinde Mäuse erhalten ihre Sicht nach der Insertion von Genen zurückIn einer normalen Netzhaut erkennen Fotorezeptoren (Stäbchen (blau) und Zapfen (grün)) die Licht- und Relaissignale an andere Schichten des Auges und enden in den Ganglienzellen (lila), die direkt auf das Sehzentrum des Gehirns sprechen. (Bildnachweis: UC Berkeley)

Isacoff, der auf G-Protein-gekoppelte Rezeptoren im Nervensystem spezialisiert ist, wusste jedoch, dass viele dieser Teile in allen Zellen existieren. Er vermutete, dass sich ein Opsin automatisch mit dem Signalsystem der retinalen Ganglienzellen verbinden würde. Gemeinsam versuchten er und Flannery zunächst Rhodopsin, das lichtempfindlicher ist als Kegelopsine.

Als Rhodopsin zu ihrer Freude in die Ganglienzellen von Mäusen eingeführt wurde, deren Stäbchen und Zapfen vollständig entartet waren und folglich blind waren, erlangten die Tiere wieder die Fähigkeit, zwischen Licht und sogar schwachem Raumlicht Dunkel zu unterscheiden. Rhodopsin erwies sich jedoch als zu langsam und versagte bei der Bild- und Objekterkennung.

Sie probierten dann den grünen Kegel Opsin aus, der 10-Zeiten schneller als Rhodopsin ansprach. Bemerkenswerterweise waren die Mäuse in der Lage, parallele von horizontalen Linien zu unterscheiden, Linien, die eng beabstandet waren und weit voneinander entfernt waren (eine normale Aufgabe der menschlichen Sehschärfe), sich bewegende Linien gegenüber stationären Linien. Die wiederhergestellte Sicht war so empfindlich, dass iPads anstelle von viel helleren LEDs verwendet werden konnten.

"Dies brachte die Botschaft kraftvoll nach Hause", sagt Isacoff. "Wie wunderbar wäre es doch für Blinde, wieder normale Computermonitore lesen zu können, per Video zu kommunizieren, Filme anzusehen."

Diese Erfolge ließen Isacoff und Flannery einen Schritt weiter gehen und herausfinden, ob Tiere mit wiederhergestellter Sicht in der Welt navigieren könnten. Auffallend war auch hier der grüne Kegelopsin ein Erfolg. Blinde Mäuse hatten wieder die Fähigkeit, eines ihrer natürlichen Verhaltensweisen auszuführen: dreidimensionale Objekte zu erkennen und zu erkunden.

Dann stellten sie die Frage: „Was würde passieren, wenn eine Person mit wiederhergestelltem Sehvermögen nach draußen geht und heller leuchtet? Würden sie vom Licht geblendet werden? “Hier zeigte sich ein weiteres auffälliges Merkmal des Systems, sagt Isacoff: Der Signalweg des grünen Kegel-Opsins passt sich an. Tiere, die sich zuvor blind auf die Helligkeit eingestellt haben, ändern sich und konnten die Aufgabe genauso gut erfüllen wie sehende Tiere. Diese Anpassung funktionierte über einen Bereich von etwa dem Tausendfachen - der Unterschied zwischen durchschnittlichen Innen- und Außenbeleuchtung.

"Wenn jeder sagt, dass es nie funktionieren wird und dass Sie verrückt sind, bedeutet das normalerweise, dass Sie auf etwas stehen", sagt Flannery. In der Tat bedeutet dies, dass die erste erfolgreiche Wiederherstellung des gemusterten Sehens mithilfe eines LCD-Computerbildschirms erfolgreich war, der erste sich an Änderungen des Umgebungslichts anpasste und der erste die natürliche Objektsicht wiederherstellte.

Die Forschung erscheint in Nature Communications. Das Team testet derzeit Variationen des Themas, die die Farbwahrnehmung wiederherstellen und die Sehschärfe und Anpassung weiter steigern könnten. Das Nationale Augeninstitut der National Institutes of Health, das Nanomedicine Development Center für die optische Kontrolle biologischer Funktionen, die Stiftung zur Bekämpfung von Blindheit, die Hope for Vision Foundation und das Lowy Medical Research Institute unterstützten die Forschung.

Quelle: UC Berkeley

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