Optogenética: Luz contra Trastornos Neurológicos

Las enfermedades neurodegenerativas son afecciones devastadoras que provocan la degeneración progresiva de las neuronas. Esta neurodegeneración puede resultar en ataxia, demencia y atrofia muscular, entre otros síntomas. A pesar de los enormes esfuerzos de investigación realizados, existe una falta de intervenciones terapéuticas efectivas para la mayoría de estas enfermedades. La optogenética es una técnica novedosa desarrollada recientemente que combina la óptica y la genética para modular la actividad de neuronas específicas. La optogenética se ha implementado en varios estudios, incluyendo trastornos neuropsiquiátricos y enfermedades neurodegenerativas. Este artículo se centra en los avances recientes en el uso de esta técnica para el estudio de enfermedades neurodegenerativas comunes.

La optogenética se refiere a la combinación de óptica y genética para manipular la actividad de neuronas individuales. Es una técnica novedosa para la investigación en neurociencia debido a su precisión espacial y temporal en el control de las actividades neuronales. El elemento clave de la optogenética son las opsinas sensibles a la luz que activan o inhiben las neuronas.

La Canalrodopsina y la Halorodopsina son las dos opsinas sensibles a la luz principales utilizadas en la mayoría de las investigaciones optogenéticas. Las Canalrodopsinas fueron descubiertas por Nagel y colegas en 2002. Son proteínas sensibles a la luz aisladas del alga *Chlamydomonas reinhardtii*. Nagel et al. demostraron que la Canalrodopsina-1 (ChR1) y la Canalrodopsina-2 (ChR2) son canales selectivos de cationes que permiten el influjo de iones cuando se estimulan con luz azul. Posteriormente, Boyden y colegas lograron utilizar un vector lentiviral para expresar ChR2 en neuronas de mamíferos. Cuando se ilumina con luz azul, evoca corrientes de entrada que despolarizan la membrana, resultando en la generación de potenciales de acción.

La Halorodopsina (NpHR) es una bomba de cloruro sensible a la luz aislada de *Natronomonas pharanois*. Cuando se activa con luz amarilla, la NpHR bombea iones de cloruro hacia la célula, lo que hiperpolariza la membrana e inhibe la actividad neural. Aunque la técnica optogenética solo tiene una breve historia de aproximadamente 10 años, se ha utilizado rápida y ampliamente en un gran número de estudios.

Optogenética y la Enfermedad de Parkinson

La Enfermedad de Parkinson (EP) es una enfermedad neurodegenerativa común del sistema nervioso central. La EP resulta de la muerte de las neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra. Los tratamientos tradicionales para la EP incluyen intervenciones farmacológicas para aumentar el nivel de dopamina y la estimulación cerebral profunda (ECP). Debido a la heterogeneidad de los tejidos cerebrales donde se colocan los electrodos, ha sido difícil dilucidar los tipos de células objetivo relevantes o los mecanismos subyacentes de la ECP. Las intervenciones farmacológicas, por otro lado, tienen diversas limitaciones y efectos secundarios.

En 2009, Gradinaru y colegas utilizaron optogenética y óptica de estado sólido para impulsar o inhibir sistemáticamente una serie de elementos de circuito distintos en roedores parkinsonianos de libre movimiento. Descubrieron que los efectos terapéuticos dentro del núcleo subtalámico pueden explicarse por la estimulación selectiva directa de los axones aferentes que se proyectan a esta región. Además de proporcionar información sobre los mecanismos de la ECP, estos resultados demostraron un enfoque óptico para la disección de circuitos de enfermedades y proporcionaron una nueva forma para la deconstrucción sistemática de circuitos de enfermedades mediante el control selectivo de componentes individuales.

Además de la ECP y la intervención farmacológica, estudios previos han sugerido que el reemplazo celular podría ser una opción terapéutica viable para la EP. Se ha proporcionado evidencia de recuperación conductual después del trasplante de células neurales derivadas de células madre pluripotentes humanas en modelos animales de EP. Sin embargo, se sabe poco sobre los mecanismos subyacentes a la función del injerto. En un estudio reciente de Steinbeck y colegas, se utilizó optogenética para investigar la función del injerto y la conectividad entre el injerto y el huésped. La técnica se aplicó para modular las propiedades electrofisiológicas y neuroquímicas de las neuronas dopaminérgicas mesencefálicas (mesDA) derivadas de células madre embrionarias humanas (hESCs).

Para examinar la funcionalidad de las neuronas mesDA trasplantadas en el estriado lesionado, se transducieron hESCs indiferenciadas para expresar Halorodopsina eNpHR3.0-EYFP (llamada HALO) o solo EYFP bajo el control del promotor de sinapsina humana. Se demostró que la desactivación de los injertos que expresaban HALO mediante luz producía déficits motores. El pretratamiento de los animales con apomorfina, un agonista de los receptores de dopamina D1 y D2, no resultó en el retorno de los déficits motores cuando los injertos que expresaban HALO se desactivaron. Las grabaciones electrofisiológicas de cortes cerebrales agudos demostraron que la estimulación del cuerpo calloso evocaba la liberación de dopamina del injerto y potenciales postsinápticos excitatorios (EPSPs) en las neuronas GABAérgicas estriatales. Sin embargo, el silenciamiento optogenético resultó en una reducción significativa del EPSP evocado. Este resultado sugiere que las neuronas injertadas fortalecen la respuesta EPSP de las neuronas GABAérgicas estriatales del huésped a través de una activación de los receptores D1. Los hallazgos también sugieren la importancia de la actividad neuronal del injerto y la conectividad en la recuperación conductual de la EP.

Optogenética en la Enfermedad de Huntington

La Enfermedad de Huntington (EH) es un trastorno neurodegenerativo genético que afecta la coordinación muscular con deterioro mental en etapas tardías. La EH es causada por una mutación autosómica dominante en un gen llamado Huntingtina. A medida que la enfermedad progresa, comienzan a ocurrir movimientos corporales descoordinados y se hacen evidentes los declives en las capacidades mentales. En modelos de ratón de EH, estudios han demostrado que la actividad sináptica inhibitoria espontánea está aumentada en una subpoblación de neuronas espinosas de tamaño mediano (MSNs), lo que amortigua la salida estriatal. Sin embargo, las fuentes de la inhibición aumentada no estaban claras.

En un estudio reciente, Cepeda y colegas examinaron las posibles fuentes de la inhibición aumentada utilizando métodos electrofisiológicos y optogenéticos para evaluar la inhibición de retroalimentación y de alimentación directa en dos modelos de ratón transgénicos de EH. La Canalrodopsina-2 y EYFP se insertaron en un vector viral con marco de lectura abierto invertido de doble flox (AAV2-DIO-ChR2-EYFP) para activar selectivamente las interneuronas GABAérgicas y evaluar la influencia en la actividad sináptica GABA en las MSNs. Se realizaron grabaciones de parche simple y doble en MSNs de cortes estriatales y se estudiaron dos tipos de interneuronas GABAérgicas: las de disparo rápido (FS) y las de disparo de umbral bajo persistente (PLTS).

Observaron alteraciones selectivas en la actividad sináptica GABA en las MSNs bajo el control de promotores D1 (vía directa) o D2 (vía indirecta). Estos hallazgos demostraron que en la EH múltiples fuentes contribuyen al aumento de la actividad GABA en las MSNs de la vía indirecta. La mayor parte de la contribución proviene de la inhibición de alimentación directa de las interneuronas FS y PLTS. Las interneuronas PLTS son responsables del aumento de los eventos sinápticos espontáneos GABAérgicos, mientras que las interneuronas FS activadas son la fuente de respuestas sinápticas mediadas por GABA más grandes. Las interneuronas PLTS pueden liberar óxido nítrico (NO), neuropéptido Y (NPY) y somatostatina (SOM), que podrían tener efectos neuroprotectores. La inhibición selectiva de las interneuronas PLTS y FS estriatales podría mejorar el fenotipo conductual de la EH. Estos hallazgos sugieren que el control selectivo de las interneuronas PLTS y FS podría ser beneficioso para mejorar el comportamiento de los pacientes con EH.

Optogenética en la Epilepsia

La Epilepsia es un trastorno neurológico común caracterizado por convulsiones epilépticas. Los fármacos antiepilépticos actualmente disponibles tienen una eficacia limitada y su uso a largo plazo está restringido debido a los efectos adversos, los síntomas de abstinencia y las interacciones perjudiciales con otros fármacos, etc. Además, algunos de los fármacos antiepilépticos disponibles pueden incluso potenciar ciertos tipos de convulsiones. Por lo tanto, una nueva intervención terapéutica es muy deseable.

En 2009, Tonnesen y colegas exploraron la posibilidad de utilizar optogenética para el tratamiento de las convulsiones epilépticas. Utilizaron un vector lentiviral para dirigir la NpHR específicamente a las neuronas principales del hipocampo en ratones bajo el control del promotor CaMKIIα. Demostraron que la actividad de la NpHR inducida por luz hiperpolariza las neuronas principales del hipocampo e inhibe la actividad epileptiforme. En este estudio, se estableció que la actividad epileptiforme puede ser inhibida directamente utilizando actuadores hiperpolarizantes.

En 2013, Paz y colegas lograron expresar Halorodopsina mejorada (eNpHR3.0) en neuronas del tálamo ventrobasal. Además, lograron diseñar dispositivos de bucle cerrado que pueden detener las convulsiones mediante estimulación lumínica en tiempo real. Posteriormente, Sukhotinsky et al. emplearon un vector de virus asociado a adeno (AAV) para dirigir eNpHR3.0 a las células piramidales del hipocampo y demostraron que la iluminación constante y esporádica impedía el inicio electrográfico y conductual de la actividad convulsiva.

Un estudio muy reciente de Soper y colegas también empleó la técnica optogenética para examinar el efecto anticonvulsivo de la estimulación óptica de las capas profundas/intermedias del colículo superior (DLSC). En su experimentación, se microinyectó rAAV5-hSyn-ChR2 (H134R)-mCherry en el DLSC. Demostraron que la activación del DLSC puede ejercer acciones anticonvulsivas de amplio espectro, atenuando las convulsiones originadas en redes cerebrales diversas y distales. Por ejemplo, la estimulación del DLSC puede suprimir la actividad convulsiva conductual y electrográfica en las convulsiones de prosencéfalo/tronco encefálico inducidas por pentilentetrazol y las convulsiones parciales complejas/de prosencéfalo inducidas por Area Tempestas. Además, la activación del DLSC también atenuó las convulsiones talamocorticales/de ausencia evocadas por gamma butirolactona o las convulsiones de tronco encefálico inducidas por estimulación acústica de ratas propensas genéticamente a la epilepsia. Sus hallazgos sugieren que la activación selectiva y temporalmente controlada del DLSC es una estrategia prometedora para la intervención terapéutica de la epilepsia. Por lo tanto, la optogenética puede ser un enfoque ideal para controlar neuronas y tratar la epilepsia con respuesta en tiempo real.

Optogenética en la Enfermedad de Alzheimer

La agregación de péptidos beta amiloide es un cambio patológico distintivo en los cerebros de pacientes con Enfermedad de Alzheimer (EA). Sin embargo, los mecanismos de secreción y agregación de péptidos beta amiloide seguían sin estar claros. Estudios previos utilizando estimulaciones eléctricas o farmacológicas han demostrado que la secreción de Aβ de las neuronas depende de la actividad. Sin embargo, las vías exactas involucradas no estaban claras.

En un estudio reciente de Yamamoto y colegas, se adoptó la optogenética para examinar la activación selectiva de una vía neuronal específica en ratones transgénicos APP y observar el papel causal entre la activación sináptica y la patología de Aβ. Se expresó la opsina de función escalonada estabilizada (SSFO), una Canalrodopsina diseñada para provocar una hiperexcitabilidad neuronal duradera, en la vía perforante del hipocampo de ratones transgénicos APP. Específicamente, SSFO-EYFP en un vector de virus asociado a adeno impulsado por un promotor CAMKIIα se transdujo unilateralmente en la corteza entorrinal lateral para estimular selectivamente las neuronas de proyección cortical a través de la vía perforante.

La microdiálisis in vivo reveló un aumento de aproximadamente el 24% en el nivel de Aβ42 en el líquido intersticial del hipocampo inmediatamente después de la activación lumínica aguda. Los ratones con estimulación optogenética crónica durante 5 meses tuvieron un aumento dramático de 2.5 veces en los depósitos de Aβ. Estos hallazgos sugieren una conexión entre la hiperactividad de una vía de proyección específica y el aumento en la deposición de Aβ. Este estudio también proporcionó la base para futuras investigaciones utilizando optogenética para la estimulación crónica en modelos animales de trastornos neurodegenerativos.

Optogenética en el Ictus (Accidente Cerebrovascular)

El Ictus es causado por una circulación deficiente al cerebro que resulta en daño a las células cerebrales. Es una de las principales causas de muerte y discapacidad a largo plazo. El tratamiento actual para el Ictus se limita al uso de tPA, que tiene un éxito limitado y un posible efecto secundario de hemorragia intracerebral. Por lo tanto, la búsqueda de nuevas intervenciones terapéuticas para el tratamiento o la recuperación del Ictus ha sido un desafío importante.

En un estudio reciente de Cheng y colegas, se utilizó optogenética para promover la recuperación del Ictus aumentando selectivamente la actividad neuronal en la corteza motora primaria ipsilesional (iM1) después del Ictus. La recuperación del Ictus se examinó en ratones transgénicos que expresaban ChR2 bajo el promotor Thy1. En su estudio, observaron los efectos en la recuperación funcional después de las estimulaciones ópticas. Los ratones con Ictus estimulados con luz tuvieron un mejor rendimiento en la prueba de la viga giratoria y un aumento del flujo sanguíneo cerebral inducido por estímulos, lo que indica una mejor recuperación. Se demostró que el aumento de la excitabilidad en el iM1 fue beneficioso y fomentó la recuperación post-Ictus. Este estudio proporcionó una fuerte evidencia de que la optogenética puede usarse para promover la recuperación del Ictus y que estimular las neuronas en el hemisferio afectado por el Ictus es necesario para mejorar la recuperación.

Optogenética en la Degeneración del Sistema Sensorial: Retinopatías

Las retinopatías son enfermedades no inflamatorias de la retina. El daño a la retina resulta en deficiencias visuales y en algunos casos incluso ceguera. Las retinopatías tienen varias causas. Las retinopatías comunes incluyen la degeneración macular y la retinosis pigmentaria. La mácula es responsable de la visión central y nítida. La degeneración macular relacionada con la edad (DMAE) es una de las principales causas de pérdida de visión en personas mayores de 50 años. La retinosis pigmentaria (RP) es un grupo de trastornos genéticos raros que implican el deterioro de las células de la retina. Los síntomas de la RP incluyen ceguera nocturna y pérdida de la visión periférica. Los tratamientos actuales para las retinopatías incluyen fármacos anti-factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF), terapia génica, células madre y dispositivos de asistencia visual. Sin embargo, estos métodos tienen un éxito limitado y no pueden restaurar la pérdida visual de imágenes naturales.

En 2006, Bi y colegas investigaron la viabilidad de usar ChR2 para restaurar la sensibilidad a la luz en retinas que han sufrido degeneración de conos y bastones. Transfectaron retinas de ratones rd1 con ChR2. El ratón rd1 es un modelo animal bien caracterizado de retinosis pigmentaria causada por la mutación del gen Pde6b. Demostraron que se puede lograr una expresión a largo plazo de ChR2 en neuronas de la retina interna de roedores in vivo y que estas neuronas de la retina interna pueden expresar un número suficiente de canales ChR2 funcionales para producir una despolarización de membrana robusta o la generación de potenciales de acción sin un suministro exógeno de retinal todo-trans. Además, demostraron que la expresión de ChR2 en un modelo de ratón deficiente en fotorreceptores no solo permite a las células ganglionares de la retina codificar señales de luz, sino que también restaura las respuestas evocadas visualmente en la corteza visual.

Posteriormente, se observaron resultados similares en varios estudios de Tomita y colegas, quienes lograron restaurar la respuesta visual en ratas RCS distróficas envejecidas y la visión funcional en ratas genéticamente ciegas utilizando la transferencia del gen channelopsin-2 mediada por AAV a las células ganglionares de la retina. Sin embargo, en un estudio realizado por Thyagarajan y colegas, la expresión de ChR2 en las células ganglionares de la retina no logró rescatar la visión. Varios estudios han demostrado que la activación de la Canalrodopsina-2 dirigida específicamente a las células bipolares ON también puede restaurar la función visual en ratones con degeneración retiniana.

En 2010, Busskamp et al. demostraron que la expresión de Halorodopsina arquebacteriana en conos insensibles a la luz puede sustituir la cascada de fototransducción nativa y restaurar la sensibilidad a la luz en modelos de ratón de retinosis pigmentaria. En este caso, la Halorodopsina es una mejor opción que ChR2 debido a que los conos suelen estar despolarizados en la oscuridad e hiperpolarizados en respuesta a la luz.

Nirenberg y colegas estimularon retinas de ratones ciegos que expresaban ChR2 con imágenes naturales procesadas por un modelo computacional de codificación retiniana. En este estudio, generaron un sistema protésico que incorpora el código, lo que aumentó drásticamente las capacidades del sistema. Además, demostraron que, utilizando 9,800 respuestas de células ganglionares estimuladas optogenéticamente, el efecto combinado del uso del código y la estimulación de alta resolución es capaz de elevar las capacidades protésicas al nivel de representación de imágenes normal o casi normal.

En un estudio reciente de van Wyk y colegas, se empleó un nuevo enfoque optogenético utilizando una herramienta optogenética de próxima generación, Opto-mGluR6, para dirigir las células bipolares ON, lo que supera las limitaciones del enfoque optogenético tradicional, como la baja sensibilidad a la luz y los problemas de compatibilidad fisiológica. Demostraron que Opto-mGluR6, una proteína quimérica que consta de los dominios intracelulares del receptor metabotrópico de glutamato específico de las células bipolares ON mGluR6 y los dominios sensibles a la luz de la melanopsina, recupera de manera confiable la visión a nivel retiniano, cortical y conductual bajo iluminación diurna moderada.

Comparativa de Opsinas Clave

Preguntas Frecuentes sobre Optogenética en Trastornos Neurológicos

¿Qué es la optogenética?
La optogenética es una técnica avanzada que combina la óptica y la genética para controlar la actividad de neuronas específicas utilizando luz. Permite manipular la actividad neuronal con alta precisión espacial y temporal.

¿Cómo controla la optogenética la actividad neuronal?
Utiliza proteínas especiales llamadas opsinas, que son sensibles a la luz. Cuando se expresan en neuronas, estas opsinas actúan como canales o bombas iónicas que se abren o se activan en respuesta a longitudes de onda de luz específicas, causando despolarización (activación) o hiperpolarización (inhibición) de la membrana neuronal.

¿Para qué enfermedades neurológicas se está investigando el uso de la optogenética?
Según la investigación actual, se está explorando su potencial para el estudio y posible tratamiento de enfermedades como la Enfermedad de Parkinson, la Enfermedad de Huntington, la Epilepsia, la Enfermedad de Alzheimer, el Ictus (Accidente Cerebrovascular) y la degeneración del sistema sensorial, específicamente retinopatías como la retinosis pigmentaria.

¿Es la optogenética un tratamiento clínico actual para estas enfermedades?
Basado en la información proporcionada, la optogenética se describe principalmente como una técnica novedosa utilizada en la investigación para entender los mecanismos de las enfermedades y como un enfoque experimental que muestra potencial para futuras intervenciones terapéuticas. Los estudios mencionados se realizan en modelos animales y están sentando las bases para posibles aplicaciones clínicas, pero no se presenta como un tratamiento estándar actualmente disponible para pacientes.

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