光刺激

光刺激とは、光を使用して生物学的化合物、細胞、組織、または生物全体を人工的に活性化することです。光刺激は、光のみを使用して、さまざまな生物学的プロセス間のさまざまな関係を非侵襲的に調査するために使用できます。長期的には、光刺激は片頭痛などのさまざまな種類の治療に使用できる可能性があります。さらに、光刺激は、光でシグナル伝達生体分子を「アンケージング」することにより、脳の異なる領域間のニューロン接続をマッピングするために使用できます。^{[1]光刺激による} 治療は、光療法、光線療法、または光バイオモジュレーション と呼ばれています。

光刺激法は、一般的に 2 つのカテゴリに分類されます。1 つの方法は、光を使用して化合物をアンケージし、その後、下流のエフェクターに結合して生化学的に活性化します。たとえば、アンケージされたグルタミン酸は、ニューロン間の興奮性接続を見つけるのに役立ちます。アンケージされたグルタミン酸は、1 つのニューロンが別のニューロンに衝突する際の自然なシナプス活動を模倣するためです。もう 1 つの主要な光刺激法は、光を使用してロドプシンなどの光感受性タンパク質を活性化し、オプシンを発現する細胞を興奮させる方法です。

科学者たちは長い間、ある種類の細胞を制御し、その周囲の細胞には手を付けず刺激を与えない必要があると仮定してきた。電気刺激や電極の使用などのよく知られた科学的進歩は神経の活性化には成功しているが、不正確で異なる細胞の種類を区別できないため、前述の目標を達成できていない。^[2]オプトジェネティクス（光刺激の使用による人工的な細胞活性化）の使用は、光パルスを正確かつタイムリーに送達する能力においてユニークである。オプトジェネティクスは、ニューロンを制御する能力において双方向性がある。チャネルは、それらを標的とする光の波長に応じて、脱分極または過分極のいずれかになる。^[3]たとえば、この技術をチャネルロドプシン陽イオンチャネルに適用して、ニューロンの脱分極を開始し、最終的に照明によって活性化することができる。逆に、ニューロンの活動抑制は、ニューロンを過分極させる働きをする塩化物ポンプのハロロドプシンの場合のように、オプトジェネティクスの使用によって引き起こすことができる。^[3]

しかし、オプトジェネティクスを実行する前に、対象が標的チャネルを発現している必要があります。微生物に自然に存在するロドプシン（バクテ​​リオロドプシン、ハロロドプシン、チャネルロドプシンなど）はそれぞれ異なる特徴的な作用スペクトルを持っており、これが反応して機能する色と波長のセットを表します。^[4]

光センサーと陽イオンチャネルを含むモノリシックタンパク質であるチャネルロドプシン 2 は、適切な速度と大きさの電気刺激を与えて、ニューロンのスパイク発火を活性化することが示されています。最近では、光活性化塩素ポンプハロロドプシンなどの分子を神経制御に応用することで、光による神経活動の抑制である光抑制が可能になりました。青色光活性化チャネルロドプシン 2と黄色光活性化塩素ポンプハロロドプシンを組み合わせることで、神経活動の多色光活性化とサイレンシングが可能になります。(光バイオモジュレーションも参照)

ケージドタンパク質は、刺激光源の存在下で活性化されるタンパク質です。ほとんどの場合、光アンケージングは​​、遮蔽分子（「ケージ」）の光分解プロセスによって化合物の活性領域を明らかにする技術です。ただし、タンパク質のアンケージングには、適切な波長、強度、および光のタイミングが必要です。これを実現できるのは、光ファイバーを改造して特定の量の光を照射できるためです。さらに、短時間の刺激により、生理学的基準と同様の結果が得られます。光刺激のステップは時間に依存しないため、タンパク質の送達と光活性化は異なる時間に行うことができます。これは、タンパク質の活性化において、2 つのステップが互いに依存しているためです。^[5]

いくつかのタンパク質は生来感光性があり、光の存在下で機能します。オプシンと呼ばれるタンパク質は、感光性タンパク質の核心を形成します。これらのタンパク質は、目によく見られます。さらに、これらのタンパク質の多くは、イオンチャネルや受容体として機能します。一例を挙げると、特定の波長の光が特定のチャネルに当たると、細孔の閉塞が解消され、イオン伝達が可能になります。^[6]

分子を解放するには、共有結合を切断する光分解システムが必要です。システムの例としては、光源（通常はレーザーまたはランプ）、入射光量のコントローラ、光のガイド、および伝達システムがあります。多くの場合、設計は拡散光の間に媒体が接触するように機能し、不要な光分解や光の減衰を引き起こす可能性があります。これらは両方とも光分解システムの重大な問題です。^[5]

生体分子の機能を制御する方法としての光刺激というアイデアは、1970年代に開発されました。2人の研究者、ヴァルター・シュテッケニウスとディーター・エスターヘルトは、1971年に光の存在下で機能するバクテリオロドプシンとして知られるイオンポンプを発見しました。 ^[7] 1978年に、JFホフマンは「ケージング」という用語を発明しました。残念ながら、この用語は、別の分子に閉じ込められた分子を説明するためによく使用されるため、科学者の間で混乱を招きました。また、ラジカルの再結合における「ケージド効果」と混同される可能性もあります。そのため、一部の著者は「ケージング」ではなく「光活性化」という用語を使用することに決めました。現在、両方の用語が使用されています。エール大学のホフマンらが合成した最初の「ケージド分子」は、ATP誘導体1のケージド前駆体でした^。[8]

光刺激は時間精度に優れているため、ケージドエフェクターの活性化開始時間を正確に知ることができます。ケージド阻害剤と併用することで、生物のライフサイクルの特定の時点での生体分子の役割を研究することができます。シナプス伝達の重要なメディエーターであるN-エチルマレイミド感受性融合タンパク質（NSF）のケージド阻害剤は、NSFの時間依存性を研究するために使用されています。^[9] 他のいくつかの研究では、グルタミン酸などのケージド神経伝達物質を使用して活動電位の発火に影響を与えています。 ^{[10] [11]}グルタミン酸、ドーパミン、セロトニン、GABAの光反応性前駆体を含むケージド神経伝達物質は市販されています。^[12]

有糸分裂中のシグナル伝達は、光分解が起こらなければリン酸化されないケージド蛍光体を備えたレポーター分子を使用して研究されてきた。 ^{[13]この技術の利点は、レポーターの導入以降のすべての活動を記録するのではなく、特定の時点での}キナーゼ活性の「スナップショット」を提供することである。

カルシウムイオンは重要なシグナル伝達の役割を果たしており、ケージドチャネルによるカルシウムイオンの放出の制御は広く研究されてきた。^{[14] [15] [16]}

残念ながら、すべての生物が十分な量のオプシンを生成または保持しているわけではありません。したがって、研究対象の生物にオプシン遺伝子がまだ存在しない場合は、標的ニューロンにオプシン遺伝子を導入する必要があります。この遺伝子を追加して発現させるだけで、オプトジェネティクスを使用できます。これを実現する方法としては、遺伝子を含むトランスジェニックラインの構築、または個体内の特定の領域または領域への急性遺伝子導入などがあります。これらの方法は、それぞれ生殖細胞遺伝子導入および体細胞遺伝子送達として知られています。^[17]

オプトジェネティクスは、パーキンソン病やてんかんなどの一連の神経疾患の治療に大きな期待が寄せられています。オプトジェネティクスは、DBS などの現在の脳刺激技術に欠けている特性である、特定の細胞タイプや神経回路の操作と標的化を促進する可能性があります。現時点では、神経疾患の治療におけるオプトジェネティクスの使用は、特定の疾患のメカニズムについてさらに明らかにするために、神経生物学の分野でのみ実際に実施されています。この技術をこれらの疾患を直接治療するために実施する前に、遺伝子治療、オプシン工学、オプトエレクトロニクスなどの他の関連分野でも一定の進歩を遂げる必要があります。^[18]

• 光刺激を媒介するチャネルロドプシンとハロロドプシン
• オプトジェネティクスリソースセンター