Una técnica optogenética poco convencional provoca cambios duraderos en la actividad neuronal

Luces encendidas: Las células renales humanas cultivadas acumulan un polímero eléctricamente aislante (izquierda) o conductor (centro) cuando se exponen a la luz. El polímero aislante aumenta la excitabilidad, como se muestra aquí en neuronas corticales de rata cultivadas (derecha). Adaptado de Sessler, et al.

POR PETER HESS

Fuente: Spectrum | 09/01/2023

Fotografía: Adaptado de Sessler, et al.

Una nueva forma de optogenética activa o inhibe las neuronas durante más tiempo que las versiones anteriores, según un estudio publicado en Science Advances

Una nueva forma de optogenética activa o inhibe las neuronas durante más tiempo que las versiones anteriores, según un estudio publicado en diciembre en Science Advances. Según los investigadores, esta técnica podría utilizarse en el laboratorio para aumentar o disminuir de forma duradera la actividad de neuronas implicadas en convulsiones o que contribuyen al desequilibrio de la señalización cerebral que se cree subyace al autismo.

La optogenética tradicional activa o desactiva las neuronas mediante destellos de luz que abren o cierran canales iónicos sensibles a la luz. La apertura de los canales que añaden carga positiva al interior de una neurona incita a la célula a disparar, mientras que la apertura de los que aumentan su carga negativa amortigua el disparo. Manipular la conductividad de este modo en modelos animales de autismo ha ayudado a identificar las células responsables de algunos de los rasgos de esta enfermedad.

Pero los efectos de la técnica son efímeros: "En cuanto dejas de iluminar las células, [su carga] vuelve" a su nivel inicial, explica Jia Liu, profesor adjunto de ingeniería y ciencias aplicadas de la Universidad de Harvard, que codirigió el nuevo trabajo. "Se fuerza a la célula a excitarse o inhibirse. Pero no se manipula nada de la propiedad intrínseca del circuito", afirma.

Para provocar un cambio duradero, Liu y sus colegas crearon una nueva enzima sensible a la luz que modula un elemento diferente de la excitación neuronal: la capacitancia de la membrana, o cuánta carga eléctrica puede contener la membrana de una célula. Al activarse, la enzima pone en marcha el ensamblaje de una capa de polímero sintético sobre y dentro de la membrana neuronal; dependiendo del tipo de polímero utilizado, la capa recién depositada puede aislar una neurona para disminuir la capacitancia de la membrana y aumentar la excitabilidad, o aumentar la conductancia de una neurona, aumentando la capacitancia de la membrana y disminuyendo la excitabilidad.

Como el polímero permanece en su lugar, manteniendo la nueva capacitancia de la membrana incluso después de que se apague la luz, en teoría podría animar al resto de la red celular a adaptar un nuevo patrón funcional, afirma Liu. "La propiedad de la célula ha cambiado fundamentalmente".

Liu y sus colegas utilizaron un virus inofensivo para introducir el gen de la enzima sensible a la luz en células de riñón humano cultivadas. A continuación, trataron las células con una de dos soluciones monoméricas a base de aminas, dependiendo de si el objetivo era el aislamiento o la conductancia. Cuando activaron la enzima con luz, ésta oxidó cada monómero y lo polimerizó en la membrana celular.

A continuación, los investigadores probaron los polímeros en neuronas corticales de rata cultivadas. También en este caso la luz provocó la formación de polímeros y el cambio de las propiedades eléctricas de las membranas celulares: El polímero aislante reducía la capacitancia de la membrana y aumentaba la excitabilidad neuronal, mientras que el polímero conductor tenía el efecto contrario.

El equipo también observó que cuanto más tiempo se exponía una célula a la luz, más polímero se formaba en su membrana. Liu y su equipo no comprobaron cuánto tiempo puede durar el polímero, pero en sus experimentos los cambios en la capacitancia de la membrana se mantuvieron después de tres días, el último punto de tiempo que midieron.

Esta técnica se basa en el trabajo que Liu realizó como investigador postdoctoral en el laboratorio de Zhenan Bao de la Universidad de Stanford (California), en el que utilizó una enzima similar para construir polímeros sintéticos en neuronas y alterar la capacitancia de sus membranas. Sin embargo, esa enzima no era sensible a la luz y producía un subproducto tóxico: el peróxido de hidrógeno. La cantidad de peróxido de hidrógeno liberada era suficiente para matar las células, afirma Liu.

La nueva enzima sensible a la luz sigue produciendo un subproducto tóxico, una especie reactiva del oxígeno. Pero la sensibilidad de la enzima a la luz permite guiar cuidadosamente el crecimiento del polímero sintético cambiando el momento de la exposición de una célula a la luz, afirma. Al hacer que las neuronas expresen sólo pequeñas cantidades de la nueva enzima y utilizar la luz para controlar con mayor precisión la cantidad de polímero que se produce, parece que se minimiza la cantidad de subproducto tóxico: La tinción celular reveló que no había diferencias significativas en la proporción de neuronas vivas y muertas entre las células tratadas y las no tratadas, independientemente del polímero producido. Sin embargo, los niveles de células muertas eran ligeramente superiores en los grupos tratados. Liu afirma que es necesario seguir trabajando para reducir esta toxicidad.

"Este trabajo representa una mejora significativa [con respecto a] su tecnología anterior, especialmente en términos de toxicidad, y por lo tanto puede conducir a mejores estudios in vivo", dice Longzhi Tan, profesor asistente de neurobiología en la Universidad de Stanford, que no participó en el trabajo. La nueva técnica podría ser útil para sondear los cambios transcripcionales y epigenéticos tras la manipulación optogenética tanto en ratones de tipo salvaje como en ratones que modelan afecciones humanas, afirma.

Liu y sus colegas están probando si su técnica optogenética funciona en cerebros de ratones vivos. También están examinando diferentes enzimas en busca de otras que no generen subproductos tóxicos, especialmente durante periodos prolongados de iluminación.

Citar este artículo: https://doi.org/10.53053/TEEH5639

https://www.spectrumnews.org/news/toolbox/unconventional-optogenetics-technique-spurs-long-lasting-changes-in-neuronal-activity/?utm_source=Spectrum+Newsletters&utm_campaign=94a9099867-DAILY+20230109+MONDAY+%28OPTOGENETICS+TOOLBOX%29&utm_medium=email&utm_term=0_529db1161f-94a9099867-169086874