Revizuirea anuală a științei viziunii

viziunii

Zhuo-Hua Pan, 1,2 Qi Lu, 2 Anding Bi, 1 Alexander M. Dizhoor, 3 și Gary W. Abrams 1

Abstract

Pierderea severă a celulelor fotoreceptoare în bolile degenerative retiniene moștenite sau dobândite poate duce la pierderea parțială a vederii sau la orbire completă. Strategia optogenetică pentru restaurarea vederii utilizează instrumente optogenetice pentru a converti neuronii retinieni interni supraviețuitori în celule fotosensibile; astfel, sensibilitatea la lumină este conferită retinei după moartea celulelor fotoreceptoare. Studiile de dovadă a conceptului, în special cele care utilizează rodopsine microbiene, au demonstrat restaurarea răspunsurilor la lumină în neuronii retinieni supraviețuitori și comportamente ghidate vizual în modele animale. De asemenea, s-au înregistrat progrese semnificative în îmbunătățirea instrumentelor optogenetice pe bază de rodopsină microbiană, în dezvoltarea livrării genelor mediate de virus și în direcționarea neuronilor retinieni specifici și a compartimentelor subcelulare ale celulelor ganglionare ale retinei. În acest articol, revizuim starea actuală a câmpului și prezentăm direcții și provocări suplimentare pentru avansarea acestei strategii către aplicarea clinică și îmbunătățirea rezultatelor viziunii restaurate.

Cuvinte cheie

  • tabelul 1 -Un rezumat al studiilor reprezentative folosind diferite abordări optogenetice
  • masa 2 -O comparație între avantajele și dezavantajele abordărilor explorate în prezent pentru restabilirea vederii

figura 1 Instrumente optogenetice: (A) melanopsină, (b) canalrodopsine, (c) pompe cu clorură interioară acționate de lumină și (d) pompe de protoni orientate spre lumină. Diagrama cascadei de semnal în aval a melanopsinei este adaptată din Hatori & Panda (2010), cu permisiunea. Abrevieri: DAG, diacilglicerol; IP3, inozitol trisfosfat; PLC-β, fosfolipază C - β; PIP2, fosfatidil inozitol 4,5-bisfosfat; TRP, canale potențiale de receptor tranzitorii.

Figura Locații

Figura 2 (A) Căi de procesare vizuală paralelă în retină, incluzând ilustrarea tijei/conului, a căilor ON/OFF și a câmpurilor receptive antagoniste centrale ale celulelor ganglionare retiniene. Celulele ON, inclusiv celulele bipolare cu tije și celulele amacrine AII, sunt afișate în tonuri de gri, iar celulele OFF sunt afișate în negru. Celulele orizontale și alte celule amacrine sunt prezentate în albastru. Regiunile ON și OFF ale câmpului receptiv pentru celulele ganglionare sunt indicate prin + și respectiv -. (b) Multiple abordări posibile de țintire optogenetică pentru restabilirea vederii în retina degenerată a fotoreceptorului. Celulele ON ar putea fi vizate cu instrumente optogenetice depolarizante (ușoară și verde inchis), în timp ce celulele OFF ar putea fi vizate cu instrumente optogenetice hiperpolarizante (roșu). Câmpurile receptive central-înconjurătoare ale celulelor ganglionare ale retinei ar putea fi create prin direcționarea diferențială a depolarizării (verde) și hiperpolarizant (roșu) instrumente optogenetice cu motive subcelulare. Motivarea direcționării ar putea reduce, de asemenea, expresia în axoni. Abrevieri: AC, celule amacrine; Celule amacrine AII, AII; BC, celule bipolare; GC, celule ganglionare; HC, celule orizontale; RBC, genul celulelor bipolare.

Figura Locații

Figura 3 Comparația sensibilităților la lumină ale fotoreceptorilor și celulelor ganglionare ale retinei care exprimă melanopsina cu cele ale halorodopsinei (NpHR), ale canalului de tip sălbatic 2 (ChR2) și ale mutanților ChR2. Sensibilitățile la lumină estimate pentru fotoreceptori sunt preluate de la Dacey și colab. (2005); cele pentru melanopsină sunt de la Lin și colab. (2008); cele pentru ChR2 și mutanții săi sunt de la Pan și colab. (2014a), iar cele pentru NpHR provin de la Zhang și colab. (2009). Sensibilitățile la lumină se bazează pe înregistrări in vitro ale întregii monturi retiniene din celulele ganglionare ale retinei.

Figura Locații

Figura 4 Variante de canal rodopsină (ChR) disponibile în prezent cu sensibilitate spectrală distinctă. Spectrele de acțiune ale ChR2, ChRGR, ChR2 (E123T), iar C1V1 sunt trasate pe baza datelor de la Mattis și colab. (2012); cea a lui Chrimson este extrasă din Klapoetke și colab. (2014). Spectrul de acțiune al ReaChR este similar cu cel al C1V1 la intensități luminoase relativ mici (T.H. Ganjawala, Q. Lu, Z.-H. Pan, date nepublicate).

Figura Locații

tabelul 1 Un rezumat al studiilor reprezentative folosind diferite abordări optogenetice

a Sensibilitatea la lumină este prezentată ca intensitatea luminii estimată care este necesară pentru evocarea activității vârfului pragului celulelor ganglionare ale retinei.

b Estimat pe baza intensității luminii de 100 lux.

c mutanți ChR2: L123C/T159C și L123C/T159S.

Abrevieri: AAV, virus adeno-asociat; MEA, înregistrări cu matrice multielectrozi; ND, nedeterminat; NT, netestat; ON BCs, celule bipolare de tip ON; RCS, Colegiul Regal al Chirurgilor; RGC, celule ganglionare ale retinei; VEP, potențial evocat vizual; WC, înregistrări patch-clamp cu celule întregi.

masa 2 O comparație între avantajele și dezavantajele abordărilor explorate în prezent pentru restabilirea vederii