一名失明 50 年的男子允許科學家將一個微型電子探針插入他的眼睛。
該男子的視力已被破壞，眼睛後部的光感受器或聚光細胞不再起作用。 這些細胞被稱為視桿細胞和視錐細胞，是人類視覺的基礎。 沒有它們，世界就會變得灰色和無形，儘管不是完全黑色。 該探針瞄準了視網膜中的一組不同的細胞，即神經節細胞，它們與附近的雙極細胞一起將視覺訊息從視桿細胞和視錐細胞傳遞到大腦。
沒有人知道當視桿細胞和視錐細胞停止使用時，這些訊息中繼細胞是否仍然發揮作用。 當科學家向神經節細胞發送電脈衝時，該男子描述看到遠處有一根微弱的小蠟燭在閃爍。 那個昏暗的燈塔表明神經節細胞仍然可以向大腦發送訊息以翻譯成圖像。
20 世紀 90 年代的實驗和其他類似實驗激發了底特律韋恩州立大學研究員潘卓華的新視野。 他和他的同事Alexander Dizhoor想知道，科學家是否可以將它們轉變為感知光並做視桿細胞和視錐細胞不再能做的事情，而不是用電刺激細胞。
該方法是稱為光遺傳學的革命性新領域的一部分。 光遺傳學家使用來自藻類或其他微生物的分子來對光做出反應，或創造出新的分子來做同樣的事情，並將它們插入通常不受光影響的神經細胞中。 透過將特定波長的光照射到分子上，研究人員可以控制神經細胞的活動。
光遺傳學是探測大腦內部運作的強大工具（SN：2010 年 1 月 30 日，第 14 頁 18）。 在小鼠中，研究人員利用光遺傳學來研究進食行為（SN：2015 年 3 月 7 日，第 14 頁 8），繪製攻擊迴路（SN：2015 年 3 月 21 日，第 14 頁 18）甚至改變記憶（SN：2014 年 10 月 4 日，第 14 頁 6;SN：2013 年 8 月 24 日，第 14 頁 18）。
芝麻開門
經過多年對動物的研究，研究人員現在準備將光遺傳學分子插入人類的視網膜細胞。 目的是恢復視桿細胞和視錐細胞不起作用的人的視力。
「對光敏感的器官首先受益於[光遺傳學]，這是有道理的，」巴黎視覺研究所所長 José-Alain Sahel 說。 他參與了將光遺傳學帶出實驗室並進入眼科診所的兩項努力之一。
對人體的研究可能在明年開始。
規避損害
光遺傳學的核心是一種基因療法。 傳統的基因療法將突變或受損基因的健康副本放入患有遺傳性疾病的人的細胞中。 健康的副本首先被包裝到病毒中。 病毒將基因傳遞到「破損」的細胞並卸載其貨物。 一旦進入細胞，該基因就會產生原始突變損壞的蛋白質的功能副本，然後細胞再次開始工作。
眾所周知，這種類型的基因療法被用來治療出生時免疫系統有缺陷的兒童（SN：2013 年 8 月 10 日，第 14 頁 19 號）。 它還使患有一種罕見的遺傳性失明（稱為萊伯先天性黑蒙）的人恢復了部分視力。SN：2008 年 5 月 24 日，第 14 頁 8； 看 '不畏黑暗'）。
然而，神經科學家博通德·羅斯卡（Botond Roska）表示，這種類型的失明絕對是基因治療的最佳情況。 符合基因治療條件的 LCA 患者的視網膜中仍然有聚光桿和視錐細胞，但這些細胞無法正常工作，因為它們的基因發生了突變，稱為RPE65（可導致 LCA 的十幾種基因突變之一）。 引入正常版本的基因可以使視桿細胞和視錐細胞再次發揮作用。 然而，本月在線發表的兩項研究新英格蘭醫學雜誌研究表明，即使 LCA 基因治療後視力改善的患者，光感受器也會繼續死亡，視力也會隨著時間的推移而惡化。SN 線上：2015 年 5 月 3 日）。 這可能意味著，為了長期利益，需要另一種方法。
大多數患有遺傳性失明的人甚至沒有暫時恢復的希望。 加州大學柏克萊分校的細胞和分子生物學家約翰·弗蘭納裡 (John Flannery) 表示，超過 250 個基因中的任何一個突變都可能導致失明。 他說，目前對大多數這些疾病來說，基因療法是不切實際或不可能的。
根據抗盲基金會的估計，美國約有 20 萬人遺傳了影響視桿細胞和視錐細胞的視網膜疾病。 瑞士巴塞爾弗里德里希·米歇爾生物醫學研究所的羅斯卡說，一旦這些光感受器消失，它們就無法再恢復。
潘和其他人正在研究的光遺傳學方法規避了缺失的光感受器。 這意味著它與傳統的基因療法在一些重要方面有所不同：它不能修復損壞的基因，因此無論 250 個基因中的哪一個造成了問題，該療法都應該有效。 科學家的目標不是試圖復活死亡或受損的光感受器，而是將中繼細胞轉化為人造光感受器。
Pan 和Dizhoor 於2000 年開始討論讓雙極細胞和神經節細胞對光敏感的想法。可。 但視紫質不能單獨發揮作用。 Dizhoor 是賓州埃爾金斯公園Salus 大學的分子生物學家，他說，它是眼睛中光驅動機器的一部分，該機器有十多個部件。行的」。說。 研究人員需要一種簡單的分子，可以使神經節和雙極細胞對光敏感。
兩年後，科學家在一種名為視紫質的單細胞藻類中發現了一種名為通道視紫質的光響應蛋白，這一突破出現了。萊茵衣藻。
視網膜還原
通道視紫質在細胞外膜形成通道。 當某些波長的光照射到蛋白質時，通道會打開並讓帶正電的離子流入細胞。 這種能量流是神經細胞與其鄰居和大腦交談的信號。 Pan 和 Dizhoor 立即認識到了它的潛力。
「我們想，『哇！ 這就是我們一直在等待的分子，」潘說。
他們花了很短的時間將編碼特定視紫質通道蛋白 ChR2 的基因包裝到一種可以感染失明小鼠神經節細胞的病毒。 研究人員報告在神經元2006 年，該蛋白質可以使細胞對光敏感，並向大腦發送訊息，以回應照射到小鼠眼睛的藍光（SN：2006 年 4 月 8 日，第 14 頁 211）。
一群神經節細胞
不過，該實驗只是恢復視力的第一步。 研究人員不得不爭論神經節細胞或雙極細胞中哪一種細胞可以最大程度地恢復視力的問題。 每種類型的細胞都有其優點和缺點。
要理解這一困境，需要清楚了解眼睛的工作原理。 光線透過瞳孔進入眼睛並聚焦在視網膜上，視網膜是眼睛後部的一層薄薄的多層組織。
光線首先會遇到視網膜神經節細胞。 這些神經細胞有長尾巴，捆綁在一起形成視神經，並向大腦發送有關眼睛檢測到的信息。 它們通常對光線不敏感。 雙極細胞（光線照射的下一層細胞）也不是。 在這兩層的下面，眼睛的最後面，是光檢測桿和視錐細胞。 雙極細胞從這些感光細胞收集光訊息並將其傳遞給神經節細胞，神經節細胞將其發送到大腦中的視覺處理區域。 與小鼠眼睛不同，人眼有一個稱為中央凹的小窗口，其中雙極細胞和神經節細胞位於一側，允許光線直接照射到感光器上。
神經節細胞最容易到達，這使得它們對光遺傳學很有吸引力。 但人眼含有大約 20 種不同類型的視網膜神經節細胞，每種細胞都可能向大腦傳遞略有不同的視覺訊息。
多樣性可能會為生活增添趣味，但這可能是針對神經節細胞作為光遺傳學目標的主要打擊。 這是因為用於運送光遺傳學分子的病毒無法區分各種神經節細胞。 光遺傳學家和基因治療師更喜歡使用稱為腺相關病毒的病毒來傳遞它們的貨物。 這些病毒有多種包裝，決定了它們可以感染哪些類型的細胞，但沒有人設計出一種僅與特定神經節細胞類型對接的包裝。
巴黎的 Sahel 表示，問題是光遺傳學蛋白可能在所有 20 種神經節細胞中同時產生和激活，其中包括那些向大腦發送矛盾訊息的神經節細胞。 「這就像對同一件事說是和否，」他說。
雙極探險
Dizhoor 一直認為雙極電池是最佳選擇。 畢竟，它們是感光細胞和神經節細胞之間的天然中間人。 如果它們與神經節細胞的連結仍然存在於退化的視網膜中，那麼激活雙極細胞（有兩種主要類型）應該會比 20 種神經節細胞同時喋喋不休地呈現出一幅不那麼嘈雜的世界圖景。
雙極電池被描述為開或關。 當光照強度增加時，例如當您在黑暗的房間裡打開燈或走到外面明亮的陽光下時，ON 雙極細胞就會被激活。 當光照水平降低時，關閉雙極細胞會變得興奮。 2008 年，Roska 和他的同事將 ChR2 放入失明小鼠的 ON 雙極細胞中，使它們能夠看到的圖案大約是視力正常小鼠的一半。SN：2008 年 5 月 24 日，第 14 頁 8）。
到目前為止，研究人員尚未證明針對雙極細胞比針對神經節細胞更能描繪出更清晰的世界圖景。 另外，雙極細胞很難到達。 病毒必須注射到視網膜下，有使脆弱組織脫落的風險。
羅斯卡說，無論他們針對的是哪種細胞，研究人員都非常擅長利用光遺傳學來恢復失明小鼠的視力，幾乎每個實驗都可以保證有效。 他實驗室的新研究人員經常將接受光遺傳學治療的失明小鼠誤認為是視力正常的小鼠。 不幸的是，在老鼠身上的經驗並不能讓這項技術更容易轉移到人類身上，他說。 “你必須重新設計你所擁有的一切。”
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遠離
Sahel、Roska 和其他幾位科學家聯手在巴黎成立了一家名為 GenSight Biologics 的公司。 目標是為患有最常見遺傳性失明之一（一種稱為視網膜色素變性的視網膜退化疾病）的人和患有一些罕見眼部疾病的人開發基因療法和光遺傳學療法。 GenSight 和總部位於密西根州安娜堡的 RetroSense Therapeutics 都希望在 2016 年底開始臨床試驗。
GenSight 仍在權衡其選擇。 RetroSense 將其光遺傳學療法瞄準神經節細胞，主要是因為這些細胞很容易透過注射到眼睛中心來獲得。
視網膜神經節細胞也具有持久力。 在色素性視網膜炎中，光感受器會先消失。 通常，視桿細胞會屈服，然後是視錐細胞。 隨後，雙極細胞也可能死亡。 但即使「在疾病過程的晚期，神經節細胞仍然存在，」RetroSense 的首席醫療官 Peter Francis 說。 他說，如果這種方法有效，接受針對視網膜神經節細胞的光遺傳學治療的患者可能能夠在幾十年內保持他們的新視力。
單色響應
哪些細胞對光敏感並不是決定人們視力的唯一因素。 光遺傳學分子本身就很重要。
加州大學柏克萊分校的弗蘭納裡說，人眼中偵測光線的光感受器的工作強度範圍很廣，從昏暗的星光到耀眼的海灘白天。 由於視錐細胞具有天然的捕光蛋白質，大多數人都能看到彩虹般的顏色。 但光遺傳學中使用的光激活分子要有限得多。 它們對不同程度的亮度不那麼敏感，並且只能檢測某些波長的光，從而檢測到顏色。 「與具有 20 個齒輪的自行車相比，這有點像只有一個齒輪的自行車，」弗蘭納裡說。 他補充道，目前的分子在黃昏時效果不佳。
弗蘭納裡的合作者、加州大學柏克萊分校神經科學家埃胡德·伊薩科夫(Ehud Isacoff) 是設計光激活分子的研究人員之一，該分子比視紫紅質通道蛋白和其他從微生物借用的蛋白質更靈活。
12 月，弗蘭納里和合作者在《美國國家科學院院刊他們測試了一種稱為離子營養型麩胺酸受體的蛋白質的光活化版本。 在雙極細胞和其他細胞中，當通訊化學物質谷氨酸與受體對接時，通道打開，離子流入細胞。 研究人員將受體蛋白與一種稱為光開關的分子結合。 在黑暗中，光電開關使谷氨酸遠離其對接端口。 但當藍光照射到被稱為 LiGluR 的工程受體時，光開關允許谷氨酸對接並打開通道。
將LiGluR蛋白放入失明小鼠的視網膜神經節細胞或ON雙極細胞中可以恢復囓齒類動物的視力。 當老鼠被放置在明亮的地方時，他們的視力足夠好，可以快速尋找陰影。 他們還可以在水迷宮中航行。
Flannery、Isacoff 和賓州大學的同事也將 LiGluR 蛋白插入盲犬的視網膜神經節細胞。 這些細胞對光產生了反應，但研究小組仍在測試這種療法是否有助於狗看到東西。
Isacoff 說，LiGluR 有一些優點和缺點。 它需要持續供應化學光電開關，這可能意味著每週進行一次眼部注射。 從積極的一面來看，隨著光開關的改進，患者可以獲得升級，而不需要額外的基因療法。 如果事實證明光遺傳學驅動的視力讓患者感到困惑或不舒服，醫生可以停止注射這種化學物質。 伊薩科夫說，其他光遺傳學分子沒有這樣的開關。
由於目前的光遺傳學蛋白質僅對特定波長的光做出反應，因此接受光遺傳學治療的人可能會看到灰色陰影。 潘和其他人正在調整分子以擴大波長範圍，以恢復一些色覺。 潘說，這個目標還有很長的路要走。
即使有了改進的光感分子，接受光遺傳學治療的人也可能需要額外的幫助。 可能需要特殊的護目鏡來提高環境光水平並調整波長以最佳地激活蛋白質。
大腦可能也需要一些訓練。 「我們正在為視網膜提供一種新的語言，這需要時間來學習，」羅斯卡說。
RetroSense 的弗朗西斯並不擔心患者無法理解他們所看到的內容。 「大腦非常擅長適應視覺輸入並理解這些圖像，」他說。 至少那些在視網膜神經節細胞上植入電極的人有這樣的經驗。
那些向盲人展示昏暗蠟燭的早期電極實驗最終演變成視網膜植入物。 去年，加州西爾馬市一家名為 Second Sight Medical Products 的公司開始在美國銷售其「仿生眼」。 該設備使用 60 個電極，每個電極刺激視網膜中的多個神經節細胞。 這足以讓盲人導航並辨認出門窗。 有人說他們可以看到路上的桌子，甚至桌子上的盤子。 薩赫勒說，這是一個很大的進步，但距離正常視力還差得很遠。
部分修復
光遺傳學研究人員認為他們可以做得更好。 視網膜中約有100萬個神經節細胞和1000萬個雙極細胞。 如果這些細胞中的 10% 都可以變得光敏感，那麼與植入物相比，這在分辨率方面可能會帶來巨大的提升。 當然，沒有人知道訊號越多是否真的越好。 它可能只會增加大腦必須破解的噪音。
薩赫勒說，即使一切進展順利，患者也不應該期望能看到完美的東西。 「它達不到正常視力的複雜程度。 這是部分恢復。
研究人員正在迅速但謹慎地嘗試在人體中嘗試這種療法。
到目前為止，靈長類動物的安全性測試看起來很有希望，但研究人員還沒有最終結果，在知道它是安全的之前不能進入人體試驗。 「我們想成為第一，但我們希望成為第一個把事情做好的人，」薩赫勒說。
不畏黑暗
當艾莉森·科羅納（右）和她的朋友玩紙牌遊戲 Uno 時，他們有一個規則：綠色和藍色是相同的顏色。 制定這項規定是因為 23 歲的科羅納患有一種遺傳性失明，稱為萊伯先天性黑蒙。
由於基因突變，她視網膜中的聚光細胞無法正常運作RPE65。 結果，科羅娜的世界變得模糊不清。 白天，她能看見光，但看不見陰影。 她看到了顏色，但很難區分它們。 日落之後，世界陷入黑暗。 科羅娜不敢把大學課程安排在下午 3 點之後，因為她無法獨自適應陌生的環境。
但科羅納患有醫生可以用傳統基因療法治療的少數病症之一。 2012年，她參加了賓州大學的臨床試驗，醫生注射了攜帶健康拷貝的病毒RPE65基因進入她的眼睛。 這些病毒將基因傳遞到視網膜細胞，在那裡它產生了冠狀病毒所缺乏的蛋白質的正常版本。
手術後不久，她的視力發生了變化。 起初，光線是壓倒性的和痛苦的。
「我只是坐在黑暗中，」科羅娜說。 「我到處都戴著墨鏡。 我看起來像個饒舌歌手。
但她進行了調整，視力顯著改善，儘管她在法律上仍然是盲人。
今天，她扮演的烏諾沒有綠等於藍的規則。 但她最興奮的是擁有夜視能力。 「現在恐懼不再是問題，」她說。 「我可以在晚上四處走動。 這是一項偉大的成就。
儘管最近有報導患有 LCA 的人最終會失去光敏感度，但幫助進行 Corona 參與的研究的賓州大學分子遺傳學家 Jean Bennett 表示，她的早期數據表明這種改善將持續下去。— 赫斯曼·賽伊
本文發表在 2015 年 5 月 30 日的期刊上，標題為「看到光：將神經細胞轉化為光感受器以恢復視力」。
