斯坦福光遗传学新技术为瘫痪治疗带来新希望

【字体: 时间:2010年09月28日 来源:生物通

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  近日斯坦福大学的研究人员采用一种新的光遗传学技术使生物工程小鼠神经元表面表达特异的光敏感蛋白,通过光线诱导肌肉发生正常的收缩。研究论文在线发表在《自然医学》(Nature Medicine)杂志上。

  

    生物通报道  近日斯坦福大学的研究人员采用一种新的光遗传学技术使生物工程小鼠神经元表面表达特异的光敏感蛋白,通过光线诱导肌肉发生正常的收缩。研究论文在线发表在《自然医学》(Nature Medicine)杂志上。

    斯坦福医学及工程学院的研究人员认为这项新技术是一种非常有价值的研究工具,利用这种新方法科学家们能够更精确地控制肌肉放电顺序。同时他们表示相信这项新技术一定会在未来进入实际应用帮助中风、脊髓损伤或脑损伤导致四肢瘫痪的患者恢复运动能力,消除脑性麻痹引起的痉挛。

    研究人员利用光遗传学技术将海藻的一种特异基因插入到实验动物的基因组中。这种基因可编码一种光敏蛋白分布于神经元表面。特异波长的光可以激发表达光敏蛋白的动物神经元的活性,按照实验人员的意愿改变神经元的放电形式。

    生物工程学教授Scott Delp和工程学院的Clark教授是研究的两个主要发起人。Scott Delp说道:“研究小组的目前研究焦点是使残疾人士恢复最佳运动。通过光学刺激我们能够使运动神经纤维重新产生正常的放电。”

    生物工程学以及精神病学和行为科学系副教授Karl Deisseroth博士是新研究中光遗传学技术的发明人,他曾经利用光遗传学技术开展多项试验对工程动物的中枢神经系统进行研究。“这标志着这项技术第一次应用到哺乳动物外周神经系统,”Deisseroth说。

    脊髓通过外周神经系统的长神经纤维支配骨骼肌产生随意运动。骨骼肌纤维通过聚集于“运动单位”发挥功能。运动单位是指一个神经纤维及受其支配的全部肌纤维组成的肌肉收缩的最基本单位。运动神经不同位点伸出的单个神经纤维支配可变数量的骨骼肌纤维。

    运动单位根据大小和生理功能的不同可分为2种,即运动性运动单位和紧张性运动单位。紧张性运动单位的神经纤维较细可支配少量的肌纤维;运动型运动单位的神经纤维较粗,存在于较大的神经单位中支配成千上万的肌纤维。正常情况下当运动开始时,较粗的神经纤维需要更强烈的刺激产生放电。因此通常细神经纤维支配慢抽搐肌纤维先于粗神经纤维支配快抽搐肌纤维产生收缩。

    快抽搐肌纤维是剧烈运动例如跑步所必需的,它可快速燃烧有限的主要燃料糖原,易于疲劳。慢抽搐肌纤维慢速消耗燃料,在精细运动中例如缝纫活画图中发挥决定性作用。通常人体的活动主要依赖于慢抽搐肌纤维在较长时间内发挥作用,而快抽搐肌纤维则在需要短暂爆发的高能量活动中发挥作用。

    过去研究人员曾尝试在瘫痪病人的神经元周围植入电极,利用程序控制激活电极中的电脉冲,从而使患者恢复丧失的运动功能。但通常这种行走仅能维持几分钟。这是因为粗神经纤维比细神经纤维对电刺激更敏感,因此肌肉以错误的顺序发生收缩,即先发生快抽搐肌纤维收缩,然后才发生慢抽搐肌纤维收缩,从而导致抽筋及快速的肌肉疲劳。

    论文的第一作者Delp实验室的Michael Llewellyn制成了一种“光电极”,这种光电极是由极小的发光二极管组成,能将其放置在生物工程动物坐骨神经周围。发光二极管发射高强度的蓝光深入穿透到神经元里,所有的神经纤维均可接收到来自发光二极管短脉冲的充分刺激。研究人员发现光刺激使肌纤维重新产生正常的放电,诱导发生了与自然条件下一致的肌肉收缩。

    接下来研究人员又利用了不同的检测方法对光电极与电极诱导的肌肉收缩进行了比较。在低水平的光刺激下慢抽搐肌纤维就可发生激活。而电刺激首先激活的是快抽搐肌纤维。更重要的是,光诱导的肌肉收缩维持时间远远长于电刺激。

    “光刺激20分钟后,肌肉还保持了三分之一的最大应力,而电刺激仅在一小会后就恢复了平台期,电刺激在4分钟内使得相同的肌肉完全疲劳,”Llewellyn说:“此外,光刺激更易于启动肌肉的收缩,且主要是作用于慢抽搐肌纤维,而不是快抽搐肌纤维。而电刺激则可相等地诱导两种肌肉类型。”

    Delp说这还只是初期的研究工具,但是它给临床应用带来了期望。他期待能找到一种方法更安全地诱导人体基因编码神经元表面的光敏蛋白。

    Delp说:“现在所采用的电极技术仅能使截瘫者行走数分钟,光电极能够以微创的方式插入到运动神经束的适当位置,利用计算机系统模仿自然生理学状态调控光刺激诱导不同的纤维在不同的时间放电。”

    Delp 和 Deisseroth正在对不同的对光产生反应的蛋白做类似的研究通过它们抑制神经纤维活性消除脑性麻痹所导致的痉挛。

(生物通:何嫱)

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