Het gezichtsvermogen herstellen met behulp van een combinatie van ultrageluid en genetica?
Dat is het doel van een internationaal team onder leiding van Inserm-onderzoeksdirecteurs Mickael Tanter en Serge Picaud van respectievelijk de Parijse eenheid Fysica voor geneeskunde (ESPCI Paris/PSL Université/Inserm/CNRS) en het Vision Institute (Sorbonne Université/Inserm/CNRS), in samenwerking met het Institute of Molecular and Clinical Ophthalmology in Basel. In een nieuw onderzoek leveren ze proof of concept van deze zogenaamde “sonogenetische” therapie bij dieren.
Hierbij worden bepaalde neuronen genetisch gemodificeerd om ze op afstand te activeren met ultrageluid. De resultaten tonen aan dat sonogenetica bij knaagdierneuronen een gedragsreactie kan opwekken die geassocieerd wordt met lichtwaarneming. Deze ontdekking maakt het mogelijk om op langere termijn een toepassing te overwegen bij blinde mensen met atrofie van de oogzenuw. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Nanotechnology.
Sonogenetische therapie bestaat uit het genetisch modificeren van bepaalde neuronen om ze op afstand te activeren met ultrageluid. Deze technologie was eerder al getest in culturen en bij de eerste in vivo tests konden de onderzoekers zich niet bewust worden van het therapeutische potentieel ervan, dat verband houdt met de zeer hoge spatiotemporele resolutie. De genetische modificatie in kwestie bestaat uit het introduceren van de genetische code van een mechanisch gevoelig ionkanaal in de cellen. De neuronen die dit kanaal tot expressie brengen, kunnen vervolgens op afstand worden geactiveerd door ultrageluid van lage intensiteit dat op het oppervlak van de hersenen wordt toegepast zonder dat er contact nodig is.
Sonogenetische therapie bestaat uit het genetisch modificeren van bepaalde neuronen om ze op afstand te activeren met ultrageluid. Deze technologie was eerder al getest in kweek en de eerste in vivo tests stelden de onderzoekers niet in staat om zich bewust te worden van het therapeutische potentieel ervan, dat verband houdt met de zeer hoge spatiotemporele resolutie. De genetische modificatie in kwestie bestaat uit het introduceren van de genetische code van een mechanisch gevoelig ionkanaal in de cellen. De neuronen die dit kanaal tot expressie brengen, kunnen vervolgens op afstand worden geactiveerd door ultrageluid van lage intensiteit dat op het oppervlak van de hersenen wordt toegepast zonder dat contact nodig is.
Ultrasone golven kunnen diep in het weefsel doordringen, zoals in de visuele cortex – zelfs vanaf het oppervlak van de dura mater1 die de hersenen omgeeft – en zeer specifieke gebieden bereiken. Het zijn deze golven die de basis vormen voor hoge-resolutie beeldvorming van de hersenen of ultrasone technologieën. In dit geval maken ze een zeer selectieve activering mogelijk, omdat alleen die neuronen worden gestimuleerd die het mechanosensitieve kanaal dragen en waarop de ultrasone bundel is gericht.
In een recente studie testte een team van onderzoekers onder leiding van Inserm-onderzoeksdirecteuren Mickael Tanter en Serge Picaud de werkzaamheid van deze sonogenetische therapie bij dieren. Het doel van dit onderzoek is een oplossing te bieden om het gezichtsvermogen te herstellen van patiënten die de verbinding tussen hun ogen en hersenen zijn kwijtgeraakt als gevolg van aandoeningen zoals glaucoom, diabetische retinopathie of erfelijke of diëtische optische neuropathieën.
Hun bevindingen tonen aan dat sonogenetische stimulatie van de visuele cortex een gedragsrespons opwekt die geassocieerd wordt met lichtperceptie. Het dier leert een associatief gedrag waarbij het gaat drinken zodra het licht waarneemt. Stimulatie van de visuele cortex met ultrageluid induceert dezelfde reflex, maar alleen als de neuronen in de cortex het mechanosensitieve kanaal tot expressie brengen. Het gedrag van het dier suggereert dat sonogenetische stimulatie van zijn cortex de lichtwaarneming induceerde die aan de basis ligt van de gedragsreflex.
Het onderzoek toonde aan dat de therapie werkt op verschillende typen neuronen, zowel in het netvlies als in de visuele cortex van de knaagdieren, waarmee het universele karakter van deze benadering werd aangetoond.
Door de beelden van onze omgeving om te zetten in de vorm van een gecodeerde ultrageluidsgolf om de visuele cortex direct te stimuleren – met een snelheid van enkele tientallen beelden per seconde – lijkt sonogenetische therapie echte hoop te bieden voor het herstel van het gezichtsvermogen van patiënten die de functie van de oogzenuw hebben verloren.
Meer in het algemeen biedt deze benadering van sonogenetische stimulatie een innovatieve technologie voor het onderzoeken van de hersenfunctie. In tegenstelling tot de huidige neuronstimulatoren of prothesen is de “contactloze” en selectieve celtype werking een belangrijke innovatie ten opzichte van elektrode-apparaten.
“Deze sonogenetische therapie om uiteindelijk het gezichtsvermogen van blinde mensen te herstellen, illustreert de kracht van een multidisciplinair project en een prachtig menselijk avontuur tussen een netvliesbioloog als Serge Picaud en mijzelf, een golf fysicus voor de geneeskunde,” verklaart Tanter, Inserm onderzoeksdirecteur bij de Physics for Medicine unit in Parijs (ESPCI Paris/PSL Université/Inserm/CNRS).