La fotoestimulación es el uso de la luz para activar artificialmente compuestos biológicos, células , tejidos o incluso organismos completos . La fotoestimulación se puede utilizar para investigar de forma no invasiva diversas relaciones entre diferentes procesos biológicos, utilizando únicamente luz. A largo plazo, la fotoestimulación tiene potencial para usarse en diferentes tipos de terapia, como la migraña . Además, la fotoestimulación se puede utilizar para mapear conexiones neuronales entre diferentes áreas del cerebro "desenjaulando" biomoléculas de señalización con luz. [1] La terapia con fotoestimulación se ha denominado fototerapia , fototerapia o fotobiomodulación.
Los métodos de fotoestimulación se dividen en dos categorías generales: un conjunto de métodos utiliza luz para liberar un compuesto que luego se vuelve bioquímicamente activo y se une a un efector posterior. Por ejemplo, el glutamato no enjaulado es útil para encontrar conexiones excitadoras entre neuronas, ya que el glutamato no enjaulado imita la actividad sináptica natural de una neurona que incide sobre otra. El otro método importante de fotoestimulación es el uso de luz para activar una proteína sensible a la luz como la rodopsina , que luego puede excitar la célula que expresa la opsina.
Los científicos han postulado durante mucho tiempo la necesidad de controlar un tipo de célula y dejar intactas y sin estimular las que la rodean. Avances científicos bien conocidos, como el uso de estímulos eléctricos y electrodos, han logrado la activación neuronal, pero no logran el objetivo antes mencionado debido a su imprecisión e incapacidad para distinguir entre diferentes tipos de células. [2] El uso de la optogenética (activación de células artificiales mediante el uso de estímulos luminosos) es único en su capacidad para emitir pulsos de luz de manera precisa y oportuna. La optogenética es algo bidireccional en su capacidad para controlar las neuronas. Los canales pueden estar despolarizados o hiperpolarizados dependiendo de la longitud de onda de la luz que los dirige. [3] Por ejemplo, la técnica se puede aplicar a los canales catiónicos de canalrodopsina para iniciar la despolarización neuronal y, finalmente, la activación tras la iluminación. Por el contrario, la inhibición de la actividad de una neurona se puede desencadenar mediante el uso de optogenética, como en el caso de la bomba de cloruro halorrodopsina, que funciona para hiperpolarizar las neuronas. [3]
Sin embargo, antes de que se pueda realizar la optogenética, el sujeto en cuestión debe expresar los canales objetivo. Naturales y abundantes en los microbios, las rodopsinas, incluidas la bacteriorrodopsina, la halorrodopsina y la canalrodopsina, tienen cada una un espectro de acción característico diferente que describe el conjunto de colores y longitudes de onda a los que responden y por los que son impulsadas a funcionar. [4]
Se ha demostrado que la canalrodopsina-2 , una proteína monolítica que contiene un sensor de luz y un canal catiónico, proporciona estimulación eléctrica de velocidad y magnitud apropiadas para activar la activación de picos neuronales. Recientemente, la fotoinhibición , la inhibición de la actividad neuronal con la luz, se ha vuelto factible con la aplicación de moléculas como la halorrodopsina, bomba de cloruro activada por luz , al control neuronal. Juntas, la canalrodopsina-2 activada por luz azul y la halorrodopsina de la bomba de cloruro activada por luz amarilla permiten la activación óptica de múltiples colores y el silenciamiento de la actividad neuronal. (Ver también Fotobiomodulación )
Una proteína enjaulada es una proteína que se activa en presencia de una fuente de luz estimulante. En la mayoría de los casos, el foto-uncaging es la técnica que revela la región activa de un compuesto mediante el proceso de fotólisis de la molécula protectora ("jaula"). Sin embargo, para liberar la proteína se requiere una longitud de onda, una intensidad y un momento de luz adecuados . Lograr esto es posible debido al hecho de que la fibra óptica se puede modificar para entregar cantidades específicas de luz. Además, breves ráfagas de estimulación permiten resultados similares a la norma fisiológica. Los pasos de la fotoestimulación son independientes del tiempo en el sentido de que la administración de proteínas y la activación de la luz se pueden realizar en diferentes momentos. Esto se debe a que los dos pasos dependen uno del otro para la activación de la proteína. [5]
Algunas proteínas son fotosensibles por naturaleza y funcionan en presencia de luz. Las proteínas conocidas como opsinas forman el núcleo de las proteínas fotosensibles. Estas proteínas se encuentran a menudo en el ojo. Además, muchas de estas proteínas funcionan como canales iónicos y receptores . Un ejemplo es cuando se aplica una determinada longitud de onda de luz a determinados canales, se alivia el bloqueo del poro y se permite la transducción de iones. [6]
Para liberar las moléculas, se requiere un sistema de fotólisis para romper el enlace covalente . Un sistema de ejemplo puede consistir en una fuente de luz (generalmente un láser o una lámpara), un controlador de la cantidad de luz que ingresa, una guía para la luz y un sistema de distribución. A menudo, el diseño funciona de tal manera que se encuentra un medio entre la luz que se difunde que puede causar fotólisis y atenuación de la luz adicionales no deseadas; siendo ambos problemas importantes con un sistema de fotólisis. [5]
La idea de la fotoestimulación como método para controlar la función de las biomoléculas se desarrolló en la década de 1970. Dos investigadores, Walther Stoeckenius y Dieter Oesterhelt, descubrieron en 1971 una bomba de iones conocida como bacteriorrodopsina que funciona en presencia de luz. [7] En 1978, JF Hoffman inventó el término "enjaulado". Desafortunadamente, este término causó cierta confusión entre los científicos debido al hecho de que el término se usa a menudo para describir una molécula que está atrapada dentro de otra molécula. También podría confundirse con el “efecto jaula” en la recombinación de radicales. Por lo tanto, algunos autores decidieron utilizar el término “activado por luz” en lugar de “enjaulado”. Ambos términos están actualmente en uso. La primera "molécula enjaulada" sintetizada por Hoffman et al. en Yale fue el precursor enjaulado del derivado 1 de ATP . [8]
La fotoestimulación se destaca por su precisión temporal, que puede usarse para obtener un tiempo de inicio preciso de activación de efectores enjaulados. Junto con inhibidores enjaulados , se puede estudiar el papel de las biomoléculas en momentos específicos del ciclo de vida de un organismo. Para estudiar la dependencia temporal de la NSF se ha utilizado un inhibidor enjaulado de la proteína de fusión sensible a N-etilmaleimida (NSF), un mediador clave de la transmisión sináptica. [9] Varios otros estudios han efectuado la activación del potencial de acción mediante el uso de neurotransmisores enjaulados como el glutamato. [10] [11] Los neurotransmisores enjaulados, incluidos los precursores fotomarcables de glutamato , dopamina , serotonina y GABA , están disponibles comercialmente. [12]
La señalización durante la mitosis se ha estudiado utilizando moléculas informadoras con un fluoróforo enjaulado , que no se fosforila si no se ha producido la fotólisis. [13] La ventaja de esta técnica es que proporciona una "instantánea" de la actividad de la quinasa en momentos específicos en lugar de registrar toda la actividad desde la presentación del reportero.
Los iones de calcio desempeñan una importante función de señalización y se ha estudiado ampliamente el control de su liberación con canales enjaulados. [14] [15] [16]
Desafortunadamente, no todos los organismos producen o retienen cantidades suficientes de opsinas. Por lo tanto, el gen de la opsina debe introducirse para apuntar a las neuronas si aún no están presentes en el organismo de estudio. La adición y expresión de este gen es suficiente para el uso de la optogenética. Los posibles medios para lograrlo incluyen la construcción de líneas transgénicas que contengan el gen o la transferencia aguda de genes a un área o región específica dentro de un individuo. Estos métodos se conocen como transgénesis de la línea germinal y entrega de genes somáticos, respectivamente. [17]
La optogenética se ha mostrado muy prometedora en el tratamiento de una serie de trastornos neurológicos como la enfermedad de Parkinson y la epilepsia. La optogenética tiene el potencial de facilitar la manipulación y la focalización de tipos de células o circuitos neuronales específicos, características que faltan en las técnicas actuales de estimulación cerebral como la estimulación cerebral profunda. Hasta el momento, el uso de la optogenética en el tratamiento de enfermedades neuronales sólo se ha implementado en la práctica en el campo de la neurobiología para revelar más sobre los mecanismos de trastornos específicos. Antes de que se pueda implementar la técnica para tratar directamente estos trastornos, también se deben realizar ciertos avances en otros campos relacionados, como la terapia génica, la ingeniería de opsina y la optoelectrónica. [18]