За что дали «Нобелевку» по физиологии и медицине? Как работы лауреатов могут помочь в борьбе со слепотой, ожирением, депрессией?

За что в этом году дали Нобелевку по физиологии и медицине?

Евгения Соколова: Если коротко, то за открытие, которое позволяет нам лучше понять, что происходит внутри нашего головного мозга.

Ученые давно знают, что тревога, отвращение, привязанность и другие эмоции связаны с работой определенных областей и нейронных сетей мозга. Их активацию можно увидеть, например, при выполнении функциональной МРТ.

Полина Кривых

Психофизиолог, нейроученый, автор телеграм-канала «Что-то на нейронаучном», сооснователь книжных клубов Inhound.

Многие методы визуализации головного мозга (ЭЭГ, фМРТ, МЭГ, ПЭТ и другие) вынуждены идти на компромисс и выбирать, что важнее отследить: как быстро во времени меняется активность определенных структур мозга или активность каких именно структур меняется. При этом мы не можем заглянуть еще глубже и выборочно простимулировать активность отдельных нейронов. А оптогенетика позволяет нам сделать этот шаг и в режиме реального времени активировать или заблокировать активность определенных нейронов, воздействуя на них светом. 

По сути, речь идет о своего рода «выключателе» для нервных клеток.

Как были сделаны эти открытия?

Евгения Соколова: Немецкий биофизик Петер Хегеманн еще с 1980-х годов начал изучать одноклеточную водоросль хламидомонаду, которая плывет на свет. Он заметил, что электрический ответ на вспышку света возникает у нее очень быстро — гораздо быстрее, чем если бы сигнал передавался через длинную цепочку биохимических реакций, как, например, в нашем глазу.

Хегеманн предположил, что светочувствительный белок водоросли одновременно и улавливает свет, и сам является ионным каналом. В 2002–2003 годах он вместе с Георгом Нагелем и коллегами опубликовал серию работ, в которых доказал эту гипотезу: белок каналородопсин на свету открывается и пропускает ионы в клетку.

В 2000-х годах американский нейробиолог и психиатр Карл Дейссерот с коллегами ввел ген каналородопсина в нейроны крысы и показал, что с помощью синего света можно запускать в них нервный импульс. Позже он добился того же в мозге живых мышей. Раньше ученые могли стимулировать мозг электрически или с помощью препаратов, но не могли избирательно управлять конкретным типом нейронов с точностью до миллисекунд. Оптогенетика дала такую возможность.

Как это работает?

Евгения Соколова: В нужные нейроны доставляют ген светочувствительного белка — обычно с помощью безопасного вирусного вектора. Клетки начинают сами производить этот белок, и после этого их активностью можно управлять светом, который подводят, например через тонкое оптоволокно. Так, у лабораторных животных можно активировать нейроны, отвечающие, например, за насыщение или страх.

Это позволит подробно изучать, что будет происходить в организме, когда животное испытывает эти состояния. В естественных условиях поймать и разложить на составляющие такие процессы сложно, а здесь появляется возможность контролируемо их запускать и отслеживать, как все устроено: как реагирует мозг, как отвечает сердечно-сосудистая и другие системы организма, в какой момент выбрасываются гормоны.

Это позволяет выйти на принципиально иной уровень понимания работы организма, вскрывая механизмы, о которых мы, быть может, даже не догадывались.

Привело ли это уже к реальным результатам?

Евгения Соколова: Самый известный пример — работа 2021 года. В рамках клинического исследования ученым удалось частично вернуть зрение мужчине, который за много лет до этого ослеп из-за пигментного ретинита (заболевание, при котором в глазу погибают фоторецепторы, ответственные за восприятие света, — прим. Собака.ru).

Ему ввели в глаз ген светочувствительного белка — одного из вариантов каналородопсина. Белок начали производить уцелевшие клетки сетчатки, и с помощью специальных очков, которые преобразуют изображение в световые импульсы, пациент смог находить и различать отдельные предметы. Нельзя сказать, что это уже надежда для всех людей, потерявших зрение, но кейс был очень громким, о нем много писали СМИ.

Думаю, именно такие результаты во многом и определили интерес Нобелевского комитета к работам Хегеманна, Нагеля и Дейссерота. Мы видим фундаментальное открытие двадцатилетней давности, которое уже начинает выходить в медицину. Представьте: какая-то микроскопическая водоросль необычно реагировала на свет, а спустя годы врачи частично возвращают зрение человеку.

Конечно, это пока исследования на единичных пациентах, а не рутинная клиническая практика. Нет такого, чтобы врачи пришли в клиники и сказали: «Все, теперь лечим пигментный ретинит с помощью оптогенетики». Однако это очень важный шаг.

Нобелевское открытие важно только для офтальмологии?

Евгения Соколова: Нет! Сегодня оптогенетика — прежде всего мощный исследовательский инструмент для всей нейронауки. Для эндокринологии она важна тем, что с ее помощью удастся максимально подробно картировать нейронные цепи в гипоталамусе, которые управляют голодом, насыщением, жаждой, другими важными процессами. В будущем это знание может помочь в лечении расстройств пищевого поведения, ожирения и зависимостей, других хронических заболеваний.

Хороший пример того, насколько важен мозг в этих процессах, — препараты из группы агонистов рецепторов глюкагон-подобного пептида -1: семаглутид, лираглутид (наиболее известный препарат из этой группы — знаменитый «Оземпик», — прим. Собака.ru). Они воздействуют не только на желудок, кишечник и поджелудочную железу, но и на центры насыщения в головном мозге. Сами эти препараты созданы не благодаря оптогенетике, но именно оптогенетические исследования помогают понять, как устроены цепи, на которые они влияют.

Далее, результатов можно ждать и в исследованиях ментальных расстройств: тревоги, депрессии и других состояний, от которых страдает огромное количество людей в современном мире (по оценкам ВОЗ, около 5,2% взрослого населения планеты страдают депрессией, — прим. Собака.ru).

Оптогенетика также наверняка поможет изучать и нейродегенеративные заболевания. Например, с ее помощью стало понятнее, как работает глубокая стимуляция мозга, которую применяют при болезни Паркинсона. 

Полина Кривых

Психофизиолог, нейроученый, автор телеграм-канала «Что-то на нейронаучном», сооснователь книжных клубов Inhound.

Оптогенетика позволяет нам выборочно работать с нейронами, поэтому с ее помощью мы можем лучше понять принципы развития нейродегенеративных заболеваний, при которых происходит нарушение работы и разрушение определенных групп нейронов. Например, для болезни Паркинсона характерно повреждение нейронов черной субстанции (substantia nigra) головного мозга, что затрудняет инициацию движений, а при болезни Альцгеймера в первую очередь страдает гиппокамп, что приводит к нарушению памяти. С помощью оптогенетики мы сможем лучше понять, как возникают и развиваются нейродегенеративные заболевания, что дает возможность разработать новые протоколы лечения. 

Все это пока исследования, в основном на животных. Внедрение новой технологии лечения в клиническую практику — очень долгий и строго регламентированный процесс. Но открытие оптогенетических механизмов дало надежду всем специалистам, которые работают со сложными механизмами регуляции в организме.

В России чем-то подобным занимаются?

Евгения Соколова: Начнем с того, что у этого открытия есть важные советские корни. В 1978 году сотрудники кафедры физико-химической биологии МГУ Феликс Литвин, Олег Синещеков и Виктор Синещеков опубликовали в Nature (по тем временам немалая редкость) одну из первых работ по регистрации электрического фотоответа у водорослей. Хегеманн и Нагель сами упоминают эту работу в своем обзоре об истории открытия каналородопсинов.

Затем Олег Синещеков уехал в США, в лабораторию Джона Спудича. В 2002 году он параллельно с лауреатами этого года показал, что за реакцию хламидомонады на свет отвечают два родопсина. А в 2015 году вместе с коллегой Еленой Говоруновой, тоже выпускницей МГУ, он открыл целое семейство природных анионных каналородопсинов — белков, которые позволяют светом не включать, а выключать нейроны. Сегодня это один из важных инструментов оптогенетики.

В России исследования в области оптогенетики ведутся, в частности в МФТИ и Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого. В ИТМО развиваются смежные направления фотоники и биомедицинских технологий. Для оптогенетики важны источники света, точное управление излучением и его доставка к клеткам-мишеням — задачи, тесно связанные с традиционно сильными компетенциями ИТМО в оптике и фотонике.