Optogenetics, una tecnica biologica che utilizza la luce per controllare e manipolare il comportamento delle cellule, è cresciuta costantemente in uno dei metodi più promettenti negli ultimi dieci anni. La tecnica utilizza la luce per attivare o disattivare determinati geni, attivando determinate funzioni biologiche.

I ricercatori della Texas A&M University lo sono esplorare modi usare optogenetica per controllare il flusso di ioni di calcio nelle cellule. Il loro lavoro potrebbe avere importanti implicazioni per la medicina rigenerativa e il trattamento di varie malattie e disturbi.

Il calcio è un elemento cruciale in molte funzioni biologiche. Quando gli ioni di calcio entrano nella cellula o vengono rilasciati dai depositi all'interno della cellula, agiscono come secondi messaggeri che regolano le attività importanti all'interno della cellula, tra cui la crescita cellulare, l'espressione genica, il metabolismo e l'omeostasi.

Di conseguenza, l'afflusso di calcio anormale può causare gravi conseguenze per la salute.

"La disregolazione della segnalazione del calcio porta a una serie di malattie tra cui il cancro, i disturbi cardiovascolari e le malattie neurodegenerative", ha detto Yubin Zhou, professore associato presso il Texas A&M Institute of Biosciences and Technology e il capo della ricerca.

Sviluppando un metodo per accendere e spegnere l'afflusso di calcio utilizzando la luce, Zhou e il suo team potrebbero aver trovato un nuovo approccio per il trattamento di tali malattie.

Optogenetics, ha spiegato Zhou, "conferisce alta risoluzione spazio-temporale, reversibilità e foto-tunabilità per controllare gli eventi cellulari." In altre parole, consente il controllo delle funzioni cellulari con un alto grado di precisione.

Di conseguenza, serve come metodo unico ed efficace per controllare l'afflusso di calcio cellulare.

Controllo dell'espressione genica attraverso l'afflusso di calcio

I ricercatori hanno sviluppato quello che chiamano il sistema CaRROT (strumento di riprogrammazione della trascrizione reattivo al calcio), un metodo per utilizzare sia le sostanze chimiche che la luce per controllare l'editing del genoma e la riprogrammazione trascrizionale.

CaRROT utilizza un impulso di luce o sostanze chimiche per attivare il flusso di ioni di calcio nelle cellule. I ricercatori hanno quindi usato Opto-CRAC, un'altra tecnologia sviluppata dalla squadra di Zhou, per attivare i segnali del calcio. CaRROT dirotta questi segnali e fornisce uno strumento di ingegneria del genoma nella cellula che manipola l'espressione genica, cambiando infine la funzione della cellula.

"Quando la luce è accesa, i cancelli che controllano gli ioni di calcio si aprono per consentire il flusso di calcio dallo spazio esterno nel citoplasma della cellula", ha detto in una dichiarazione Nhung Nguyen, uno studente di dottorato presso il Texas A&M che ha guidato questa ricerca . "Questo processo alla fine attiva l'espressione di geni specifici".

I ricercatori ritengono che CaRROT possa avere una vasta gamma di usi nella medicina rigenerativa e nel trattamento delle malattie.

"CaRROT può essere mirato ai geni endogeni per attivare o disattivare l'espressione genica con funzione su misura", ha detto Zhou. "Ad esempio, l'espressione costitutiva di diversi oncogeni nelle cellule tumorali come Her2, K-Ras, c-Myc, ecc. È coinvolta nell'iniziazione e nella progressione del cancro. CaRROT può essere riproposto per arrestare l'espressione di questi geni per intervenire sulla progressione del cancro. Inoltre, se abbinato a strumenti di modifica di base, CaRROT può essere utilizzato per correggere le mutazioni del genoma per invertire la malattia. "

La tecnologia potrebbe un giorno essere utilizzata per riprogrammare le cellule negli organi danneggiati, consentendo ai medici di guarire le ferite e accelerare la rigenerazione dei tessuti, tutto esponendo i tessuti alla luce, Yun Huang, assistente professore nel Centro per l'epigenetica e la prevenzione delle malattie presso il Texas A&M e collaboratore autore senior dello studio, suggerito in una dichiarazione.

Blocco dell'afflusso di calcio con optoRGK

Gli scienziati hanno anche sviluppato uno strumento, denominato optoRGK, che utilizza la luce per fermare l'ingresso di ioni di calcio nelle cellule.

optoRGK è una nuova classe di inibitori codificati geneticamente, che possono essere attivati ​​dalla luce per disattivare i canali del calcio voltaggio-dipendenti nella membrana delle cellule.

La disfunzione di tali canali del calcio voltaggio-dipendenti, e il trabocco del calcio nelle cellule, è associata a un'ampia varietà di malattie, tra cui alcuni disturbi neuropsichiatrici e un certo numero di disturbi cardiovascolari, tra cui l'ipertensione, aritmie e malattia coronarica.

Queste malattie sono state a lungo trattate con bloccanti tradizionali del canale del calcio che svolgono la stessa funzione di optoRGK ma sono generalmente meno precisi e possono essere tossici per le cellule, creando una serie di effetti collaterali.

"A causa di questi effetti collaterali, la clinica ha bisogno di nuovi approcci interventistici per integrare i tradizionali bloccanti dei canali del calcio", ha detto Zhou in una nota. "Il nostro nuovo strumento optogenetico fornisce un metodo non convenzionale per interrogare i processi fisiologici e patofisiologici medicati da questi canali del calcio voltaggio-dipendenti."

I ricercatori hanno testato optoRGK nelle cellule del muscolo cardiaco. Con la luce spenta, gli ioni di calcio oscillano dentro e fuori dalla cellula al ritmo del battito cardiaco. Quando si accende una luce blu, il movimento degli ioni di calcio è visibilmente ridotto, persino terminato, ha fatto notare Zhou in una dichiarazione. Quando la luce viene disattivata, gli ioni di calcio iniziano a oscillare, dimostrando che il processo è completamente reversibile.

Ulteriore ricerca

Andando avanti, Zhou e il suo team continueranno ad esaminare come CaRROT e optoRGK possono essere applicati al trattamento delle malattie.

"Stiamo mirando a spostare i dispositivi optogenetici in modelli animali con malattie cardiovascolari per esplorare i potenziali terapeutici", ha detto Zhou. "Ad esempio, gli esperimenti di dimostrazione del concetto hanno già dimostrato il potenziale dell'utilizzo di RGK per il trattamento delle malattie cardiache. Per testare potenziali applicazioni in vivo, è il nostro piano futuro immediato di esprimere optoRGK nel nodo atrioventricolare di modelli di roditori con malattia di fibrillazione atriale ed esaminare se la fotostimolazione potrebbe sopprimere la conduzione nodale atrioventricolare aberrante per intervenire sulla fibrillazione atriale. "