İlk kez, MIT araştırmacıları, ışıkla aktive olabilen proteinleri açığa çıkarmak için yapılan sinirlerin; uzvun hareketinin ürettiği ipuçlarını kullanarak, gerçek zamanlı olarak ayarlanabilen uzuv hareketleri üretebileceğini göstermiştir. Teknik; omurilik zedelenmesi hastalarında; bazen sinirleri uyarmak için kullanılan, benzer elektrik sistemlerine göre daha yumuşak ve daha az yorucu bir hareketi sağlar.
MIT Medya Laboratuvarı ve Sağlık Bilimleri ve Teknolojisi Harvard-MIT Programı Tıbbi Mühendislik ve Tıbbi Fizik Shriya Srinivasan: “Hayvanlar üzerinde test edilirken; insanlarda yapılacak ileri araştırmalar ve gelecek denemeler ile bu optogenetik teknik; bir gün felçli hastalarda hareketi yeniden canlandırmak veya Parkinson hastalarında kas titremesi gibi istenmeyen hareketleri tedavi etmek için kullanılabilir.”
Teknolojinin ilk uygulamaları; felçli uzuvlara hareketi geri getirmek veya protezlere güç vermek olabilir. Ancak bir optogenetik sistem; bacaklarda ağrı hissini geri kazanma, istenmeyen ağrı sinyallerini kapatma veya amotrofik lateral gibi nörolojik hastalıklarda spastik veya sert kas hareketlerini tedavi etme potansiyeline sahiptir.
Srinivasan: “MIT ekibi; beyin dışındaki sinirleri kontrol etmek için optogenetiği kullanan çok az araştırma grubundan biridir. Çoğu insan optogenetiği sinir devreleri hakkında bilgi edinmek için bir tür araç olarak kullanıyor. Ancak çok azı buna; bizim gibi klinik olarak çevrilebilir bir terapötik araç olarak bakıyor.”
Media Lab’in Biomechatronics Grubu Başkanı Hugh Herr: “Kasın yapay elektriksel stimülasyonu; genellikle yorgunluk ve zayıf kontrol edilebilirlikle sonuçlanır. Bu çalışmada; optogenetik kas kontrolü ile bu yaygın sorunların azaltılmasını gösterdik.”
Elektriğe Karşı Işık
Sinirlerin elektriksel olarak uyarılması; omurilik zedelenmesi hastalarında solunum, bağırsak, mesane ve cinsel işlev bozukluğunu tedavi etmek ve ayrıca kas dejeneratif hastalıkları olan kişilerde kas kondisyonunu iyileştirmek için klinik olarak kullanılır. Elektrik stimülasyonu felçli uzuvları ve protezleri de kontrol edebilir. Tüm bu durumlarda, akson denilen sinir liflerine verilen elektriksel sinyaller; liflerin harekete geçirdiği kaslarda hareketi tetikler.
Bu tip elektriksel stimülasyon; kasları hızla yorar, acı verir ve kesin olarak hedeflemesi zordur. Ancak, Srinivasan ve Maimon gibi bilim insanlarının; alternatif sinir stimülasyonu yöntemlerini aramasına öncülük eder.
Optogenetik stimülasyon; opsinler* adı verilen ışığa duyarlı alg proteinlerini eksprese etmek için, genetik olarak tasarlanmış sinirlere dayanır. Bu proteinler; sinir impulsları** gibi elektrik sinyallerini kontrol eder. Temel olarak, belirli ışık dalga boylarına maruz kaldıklarında onları açıp kapatırlar.
Araştırmacılar bu opsinleri bacağın iki önemli sinirinde açıkamak için tasarlanan fareleri ve sıçanları kullanarak; kemirgenlerin ayak bileği ekleminin yukarı ve aşağı hareketini, cildin üzerine takılmış veya içine yerleştirilmiş bir LED’i açarak kontrol edebildiler.
Araştırmacılar, ilk defa “kapalı devre” optogenetik sistemin bir uzvu güçlendirmek için kullanıldığını belirtti. Kapalı devre sistemler genellikle; vücuttaki geri bildirime cevap vermeyen “açık döngü” sistemlerinin aksine, aktifleştirdikleri sinirlerden gelen sinyallere yanıt olarak stimülasyonlarını değiştirir.
Kemirgenlerde, ayak bileği ekleminin açısını ve kas liflerinin uzunluğundaki değişiklikleri içeren farklı ipuçları, ayak bileğinin hareketini kontrol etmek için kullanılan geribildirimlerdi.
Srinivasan: “Gerçek zamanlı olarak ne olmak istediklerimizle gerçekte olanlar arasında meydana gelen hatayı gözlemliyor ve en aza indiren bir sistem geliştirmiş oluyoruz”
Sprint’e Karşı Yürüyüş
Optogenetik stimülasyon; ayrıca döngüsel hareket sırasında araştırma ekibini şaşırtacak şekilde elektriksel stimülasyona göre hasta açısından daha az yorucu oluyordu. Elektrik sistemlerinde, büyük çaplı aksonlar; küçük aksonlara ve kaslara geçmeden önce, büyük ve oksijene aç kaslar ile birlikte aktive edilir. Optogenetik stimülasyon tam tersi şekilde çalışır ve daha büyük liflere geçmeden önce daha küçük aksonları uyarır.
Srinivasan: “Yavaş yürürken, sadece bu küçük lifleri etkinleştiriyorsunuz, ancak bir sprint’te (koşuda), büyük lifleri harekete geçiriyorsunuz. Elektriksel stimülasyon önce büyük lifleri harekete geçirir, bu yürümek gibi görünür, ama bir sprint yapmak için gereken tüm enerjiyi kullanıyorsunuz. Hızlıca yoruluyor, çünkü ihtiyaç duyduğunuzdan daha fazla beygir gücü kullanıyorsunuz.”
Bilim insanları ayrıca, ışıkla uyarılan sistemde; elektrik sistemlerine benzemeyen başka bir tuhaf model fark ettiler: Geri Tepme… Bu beklenmedik geri tepmeyi; tam sistemin yenilenmesini sağlayacak şekilde, opsin aktivitesinin sinirlerde nasıl döndüğü gibi sorulara açıklık getirdiler.
Kısa sürede verimliliği fazla olduğundan optogenetik sistemin; felçli bazı kişilerin yürümesine izin veren robotik exoskeletonlar veya dejeneratif kas hastalıklarına sahip kişiler için uzun süreli rehabilitasyon araçları gibi, uzun vadeli motor operasyonları da gelecek vadedebilir.
Srinivasan: “Gen terapisini kullanan bazı 300 deneme ve bugün opsin kullanan birkaç deneme var. Bu nedenle gelecekte öngörülebilir bir çalışma olacaktır.”
*Opsinler: Çeşitli görme pigmentlerinin protein komponenti.
**Impuls: Uyarma sonucu bir sinir teli boyunca meydana gelen kimyasal ve elektriksel değişiklikler.
