광자극

Photostimulation

광자극은 생물학적 화합물, 세포, 조직, 또는 심지어 전체 유기체를 인위적으로 활성화하기 위해 빛을 사용하는 것이다.광자극은 빛만을 사용하여 서로 다른 생물학적 과정 사이의 다양한 관계를 비침습적으로 조사하기 위해 사용될 수 있다.장기적으로, 광자극은 편두통과 같은 다른 종류의 치료에 사용될 가능성이 있다.또한 광자극은 [1]빛으로 신호를 보내는 생체분자를 "비캐이징"함으로써 뇌의 다른 영역 사이의 신경 연결 매핑에 사용될 수 있다.광자극을 이용한 치료는 광선요법, 광선요법, 또는 광생물변조라고 불려왔다.

ATP(1)는 케이징기(2)의 첨가에 의해 광분해될 때까지 불활성화될 수 있다.마찬가지로 cAMP(3)의 활성 부위는 케이지 그룹(4)의 추가에 의해 비활성화될 수 있다.

광자극법은 두 가지 일반적인 범주로 나뉩니다. 한 세트의 방법은 빛을 사용하여 화합물을 분해한 후 생화학적으로 활성화되어 다운스트림 이펙터에 결합합니다.예를 들어, 노화되지 않은 글루탐산염은 다른 뉴런에 영향을 미치는 한 뉴런의 자연스러운 시냅스 활동을 모방하기 때문에, 노화되지 않은 글루탐산염은 뉴런 사이의 흥분성 연결을 찾는데 유용하다.또 다른 주요 광자극 방법은 빛을 사용하여 로돕신과 같은 빛에 민감한 단백질을 활성화하는 것입니다. 로돕신은 옵신을 발현하는 세포를 자극할 수 있습니다.

과학자들은 오랫동안 한 종류의 세포를 통제할 필요성을 가정해 왔지만, 그 세포 주변 세포들은 건드리지 않고 자극받지 않고 내버려두었다.전기 자극과 전극의 사용과 같은 잘 알려진 과학적 발전은 신경 활성화에는 성공했지만, 정확하지 않고 다른 [2]세포 유형을 구별할 수 없기 때문에 앞서 언급한 목표를 달성하지 못했다.광유전학(빛 자극을 이용한 인공 세포 활성화)의 사용은 정확하고 시기 적절한 방식으로 빛 펄스를 전달하는 능력에서 독특하다.광유전학은 뉴런을 제어하는 능력에 있어 다소 양방향적이다.채널은 [3]대상 빛의 파장에 따라 탈분극되거나 과분극될 수 있습니다.예를 들어 이 기술은 채널로돕신 양이온 채널에 적용되어 신경 탈분극을 개시하고 조명 시 최종적으로 활성화될 수 있다.반대로 신경세포를 [3]과분극시키는 기능을 하는 염화펌프 할로호돕신의 경우와 같이 광유전학을 이용하여 신경세포의 활성 억제를 유발시킬 수 있다.

그러나 광유전학을 수행하기 전에 피험자는 대상 채널을 표현해야 합니다.자연적이고 미생물군에 풍부한 로돕신(박테리어호돕신, 할로호돕신 및 채널로돕신 포함)은 각각 반응하고 [4]기능하도록 유도되는 색상과 파장을 설명하는 서로 다른 특성 작용 스펙트럼을 가지고 있다.

광센서와 양이온 채널을 포함한 단일 단백질인 channelrhodopsin-2는 신경 스파이크 발화를 활성화하기 위해 적절한 속도와 크기의 전기 자극을 제공하는 것으로 나타났다.최근에는 빛에 의한 신경활동 억제인 광저해는 광활성 염화펌프 할로호돕신과 같은 분자의 신경제어 적용으로 실현가능해졌다.청색광활성채널로돕신-2와 황색광활성염화펌프할로호돕신을 조합하여 다색광학적 활성화 및 신경활동의 소음화를 가능하게 한다.('광생물 변조'도 참조)

방법들

케이지 단백질은 자극적인 광원의 존재 하에서 활성화되는 단백질이다.대부분의 경우 포토 언캐이징은 차폐분자('케이지')의 광분해 과정에 의해 화합물의 활성영역을 밝히는 기술이다.그러나 단백질의 노화를 해제하려면 적절한 파장, 강도 및 빛의 타이밍이 필요합니다.이를 실현하는 것은 광섬유가 특정 양의 빛을 전달하도록 변경될 수 있기 때문입니다.또한 짧은 자극은 생리학적 기준과 유사한 결과를 가능하게 한다.광자극의 단계는 단백질 전달과 빛 활성화가 서로 다른 시간에 이루어질 수 있다는 점에서 시간에 구애받지 않는다.이것은 [5]두 단계가 단백질의 활성화를 위해 서로 의존하기 때문입니다.

일부 단백질은 선천적으로 감광성이며 빛이 있을 때 기능한다.opsins로 알려진 단백질은 감광성 단백질의 핵심을 형성합니다.이 단백질들은 종종 눈에서 발견됩니다.또한, 이러한 단백질의 많은 부분이 이온 채널과 수용체로 기능합니다.예를 들어 특정 파장의 빛이 특정 채널에 가해질 때, 모공의 막힘이 완화되어 이온 [6]전달이 가능하게 됩니다.

분자의 노화를 해제하려면 공유 결합을 절단하기 위한 광분해 시스템이 필요하다.예시 시스템은 광원(일반적으로 레이저 또는 램프), 입사하는 광량의 제어장치, 빛의 가이드 및 전달시스템으로 구성될 수 있다.종종 추가적인 원치 않는 광분해와 광감쇠를 일으킬 수 있는 확산광 사이에 매체가 충족되도록 설계 기능이 수행되는데, 이는 둘 다 광분해 [5]시스템에 중대한 문제가 됩니다.

역사

광자극은 생체분자 기능을 조절하는 방법으로서 1970년대에 개발되었습니다.두 명의 연구원, 발터 스토케니우스와 디터 오스테헬트는 1971년 [7]빛이 있을 때 기능하는 박테리어호돕신으로 알려진 이온 펌프를 발견했다.1978년, J.F. 호프만은 "케이징"이라는 용어를 발명했다.불행하게도, 이 용어는 다른 분자 안에 갇힌 분자를 묘사하기 위해 종종 사용되는 사실 때문에 과학자들 사이에서 약간의 혼란을 야기했다.그것은 또한 급진파의 재결합에 대한 "계류된 효과"와 혼동될 수 있다.따라서 일부 저자는 "케이징" 대신 "광활성화"라는 용어를 사용하기로 결정했다.두 용어 모두 현재 사용되고 있습니다.예일 대학의 호프만 등이 합성한 첫 번째 "케이지된 분자"는 ATP 유도체 [8]1의 케이지된 전구체였다.

적용들

광자극은 케이지된 이펙터의 정확한 활성화 시작 시간을 얻기 위해 사용될 수 있는 시간 정밀도로 유명하다.케이지 억제제와 함께 유기체의 라이프 사이클에서 특정 시점에서의 생체분자의 역할을 연구할 수 있다.시냅스 전달의 핵심 매개체인 N-에틸말레이미드 감수성 융합단백질(NSF)의 케이지 억제제가 NSF의 [9]시간 의존성을 연구하기 위해 사용되어 왔다.몇몇 다른 연구들은 글루탐산염과 [10][11]같은 케이지된 신경전달물질의 사용을 통해 활동 전위 발화에 영향을 미쳤다.글루탐산염, 도파민, 세로토닌 및 GABA의 광분해성 전구체를 포함한 케이지 신경전달물질은 상업적으로 [12]이용 가능하다.

유사분열 중의 시그널링은 광분해가 [13]일어나지 않으면 인산화되지 않는 케이지된 불소포자를 가진 리포터 분자를 사용하여 연구되었다.이 기술의 장점은 리포터의 소개 이후 모든 활동을 기록하는 것이 아니라 특정 시점에 키나아제 활성의 "스냅샷"을 제공한다는 것이다.

칼슘 이온은 중요한 시그널링 역할을 하며, 케이지된 채널로 칼슘 이온의 방출을 제어하는 것은 광범위하게 [14][15][16]연구되어 왔다.

불행하게도 모든 유기체가 충분한 양의 opsin을 생산하거나 보유하는 것은 아니다.따라서 옵신 유전자가 아직 연구의 유기체에 존재하지 않는다면 표적 뉴런에 도입되어야 한다.이 유전자의 추가와 발현은 광유전학을 이용하기에 충분하다.이를 달성하기 위한 가능한 수단으로는 유전자를 포함한 트랜스제닉 라인의 구축 또는 개인 내 특정 영역 또는 영역에 대한 급성 유전자 전달이 포함된다.이 방법들은 각각 [17]생식선 형질전환과 체세포 유전자 전달로 알려져 있다.

광유전학은 파킨슨병과 뇌전증과 같은 일련의 신경학적 질환의 치료에 상당한 가능성을 보여 왔다.광유전학은 DBS와 같은 현재의 뇌 자극 기술에 결여된 특징인 특정 세포 유형이나 신경 회로의 조작과 표적을 용이하게 할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.이 시점에서 신경질환 치료에 광유전학을 사용하는 것은 특정 장애의 메커니즘에 대해 더 많은 것을 밝히기 위해 신경생물학 분야에서만 실용적으로 시행되어 왔다.유전자 치료, 옵신 공학, 광전자 공학 등 다른 관련 분야에서의 이러한 장애를 직접 치료하기 위한 기술이 구현되기 전에 특정한 발전도 [18]이뤄져야 한다.

레퍼런스

  1. ^ Marina de Tommaso; Daniele Marinazzo; Luigi Nitti; Mario Pellicoro; Marco Guido; Claudia Serpino; Sebastiano Stramaglia (2007). "Effects of levetiracetam vs topiramate and placebo on visually evoked phase synchronization changes of alpha rhythm in migraine". Clinical Neurophysiology. 118 (10): 2297–2304. doi:10.1016/j.clinph.2007.06.060. hdl:1854/LU-8697646. PMID 17709295. S2CID 20094637.
  2. ^ Deisseroth, Karl. "Optogenetics: Controlling the Brain with Light [Extended Version]". Scientific American. Retrieved 2017-10-14.
  3. ^ a b LaLumiere, Ryan T. (2011-01-01). "A new technique for controlling the brain: optogenetics and its potential for use in research and the clinic". Brain Stimulation. 4 (1): 1–6. doi:10.1016/j.brs.2010.09.009. PMID 21255749. S2CID 3256131.
  4. ^ Chow, Brian Y.; Han, Xue; Boyden, Edward S. (2012). Genetically encoded molecular tools for light-driven silencing of targeted neurons. Progress in Brain Research. Vol. 196. pp. 49–61. doi:10.1016/B978-0-444-59426-6.00003-3. ISBN 9780444594266. ISSN 0079-6123. PMC 3553588. PMID 22341320.
  5. ^ a b G. W. Godwin; D. Che; D. M. O'Malley; Q. Zhou (1996). "Photostimulation with caged neurotransmitters using fiber optic lightguides". Neuroscience Methods. 93 (1): 91–106. doi:10.1016/s0165-0270(96)02208-x. PMID 9130682. S2CID 35862919.
  6. ^ G. Sandoz; J. Levitz (2013). "Optogenetic techniques for the study of native potassium channels". Frontiers in Molecular Neuroscience. 6: 6. doi:10.3389/fnmol.2013.00006. PMC 3622882. PMID 23596388.
  7. ^ Karl Deisseroth (2011). "Optogenetics". Nature Methods. 8 (1): 26–29. doi:10.1038/nmeth.f.324. PMC 6814250. PMID 21191368.
  8. ^ G_nter Mayer, Alexander Heckel (2006). "Biologically Active Molecules with a "Light Switch"". Angew. Chem. 45 (30): 4900–4921. doi:10.1002/anie.200600387. PMID 16826610.
  9. ^ Kuner T, Li Y, Gee KR, Bonewald LF, Augustine GJ (2008). "Photolysis of a caged peptide reveals rapid action of N-ethylmaleimide sensitive factor before neurotransmitter release". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105 (1): 347–352. doi:10.1073/pnas.0707197105. PMC 2224215. PMID 18172208.
  10. ^ E. M. Callaway; R. Yuste (2002). "Stimulating neurons with light". Current Opinion in Neurobiology. 12 (5): 587–592. doi:10.1016/s0959-4388(02)00364-1. PMID 12367640. S2CID 18176577.
  11. ^ G. Dormán; G. D. Prestwich (2000). "Using photolabile ligands in drug discovery and development". Trends Biotechnol. 18 (2): 64–77. doi:10.1016/s0167-7799(99)01402-x. PMID 10652511.
  12. ^ "Caged Compounds Photolysis".
  13. ^ Dai Z, Dulyaninova NG, Kumar S, Bresnick AR, Lawrence DS (2007). "Visual snapshots of intracellular kinase activity at the onset of mitosis". Chemistry & Biology. 14 (11): 1254–1260. doi:10.1016/j.chembiol.2007.10.007. PMC 2171364. PMID 18022564.
  14. ^ Ellis-Davies G C (2007). "Caged compounds: photorelease technology for control of cellular chemistry and physiology". Nat. Methods. 4 (8): 619–628. doi:10.1038/nmeth1072. PMC 4207253. PMID 17664946.
  15. ^ Nikolenko V, Poskanzer KE, Yuste R (2007). "Two-photon photostimulation and imaging of neural circuits". Nat. Methods. 4 (11): 943–950. doi:10.1038/nmeth1105. PMID 17965719. S2CID 1421280.
  16. ^ Neveu P, Aujard I, Benbrahim C, Le Saux T, Allemand JF, Vriz S, Bensimon D, Jullien L (2008). "A caged retinoic acid for one- and two-photon excitation in zebrafish embryos". Angew. Chem. Int. Ed. 47 (20): 3744–3746. doi:10.1002/anie.200800037. PMID 18399559.
  17. ^ Dugué, Guillaume P.; Akemann, Walther; Knöpfel, Thomas (2012-01-01). "A comprehensive concept of optogenetics". In Knöpfel, Thomas; Boyden, Edward S. (eds.). Optogenetics: Tools for Controlling and Monitoring Neuronal Activity. Progress in Brain Research. Optogenetics: Tools for Controlling and Monitoring Neuronal Activity. Vol. 196. Elsevier. pp. 1–28. doi:10.1016/B978-0-444-59426-6.00001-X. ISBN 9780444594266. PMID 22341318.
  18. ^ Mahmoudi, Parisa; Veladi, Hadi; Pakdel, Firooz G. (2017). "Optogenetics, Tools and Applications in Neurobiology". Journal of Medical Signals and Sensors. 7 (2): 71–79. doi:10.4103/2228-7477.205506. ISSN 2228-7477. PMC 5437765. PMID 28553579.

외부 링크