Fotoestimulación

La fotoestimulación es el uso de la luz para activar artificialmente compuestos biológicos, células , tejidos o incluso organismos completos . La fotoestimulación puede utilizarse para explorar de forma no invasiva diversas relaciones entre diferentes procesos biológicos, utilizando únicamente luz. A largo plazo, la fotoestimulación tiene potencial para su uso en diferentes tipos de terapia, como la migraña . Además, puede utilizarse para mapear las conexiones neuronales entre diferentes áreas del cerebro mediante la activación de biomoléculas de señalización con luz. ^{[ 1 ]} La terapia con fotoestimulación se ha denominado terapia de luz , fototerapia o fotobiomodulación.

Los métodos de fotoestimulación se dividen en dos categorías generales: un conjunto de métodos utiliza la luz para liberar un compuesto que luego se vuelve bioquímicamente activo, uniéndose a un efector posterior. Por ejemplo, la liberación de glutamato es útil para encontrar conexiones excitatorias entre neuronas, ya que el glutamato liberado imita la actividad sináptica natural de una neurona que influye en otra. El otro método principal de fotoestimulación consiste en utilizar la luz para activar una proteína fotosensible 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 mientras que las que la rodean permanecen intactas y sin estimulación. Avances científicos bien conocidos, como el uso de estímulos eléctricos y electrodos, han logrado la activación neuronal, pero no alcanzan el objetivo mencionado debido a su imprecisión e incapacidad para distinguir entre diferentes tipos de células. ^{[ 2 ]} El uso de la optogenética ( activación celular artificial mediante estímulos luminosos) es único por su capacidad de administrar pulsos de luz de forma precisa y oportuna. La optogenética es, en cierto modo, bidireccional en su capacidad para controlar neuronas. Los canales pueden despolarizarse o hiperpolarizarse según la longitud de onda de la luz que los ilumina. ^{[ 3 ]} Por ejemplo, la técnica puede aplicarse 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 puede desencadenarse mediante el uso de la optogenética, como en el caso de la bomba de cloruro halorrodopsina, que hiperpolariza las neuronas. ^{[ 3 ]}

Sin embargo, antes de poder realizar la optogenética, el sujeto en cuestión debe expresar los canales diana. Las rodopsinas, presentes de forma natural y abundante en microorganismos (incluidas la bacteriorrodopsina, la halorodopsina y la canalrodopsina), poseen cada una un espectro de acción característico diferente que describe el conjunto de colores y longitudes de onda a los que responden y que las impulsan 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 con la velocidad y magnitud adecuadas para activar la generación de potenciales de acción neuronales. Recientemente, la fotoinhibición , es decir, la inhibición de la actividad neuronal mediante la luz, se ha vuelto factible gracias a la aplicación de moléculas como la halorrodopsina , una bomba de cloruro activada por la luz , al control neuronal. En conjunto, la canalrodopsina-2 , activada por luz azul , y la halorrodopsina, una bomba de cloruro activada por luz amarilla , permiten la activación y la inhibición óptica de la actividad neuronal mediante múltiples colores. (Véase también Fotobiomodulación ).

Una proteína encapsulada es aquella que se activa en presencia de una fuente de luz estimulante. En la mayoría de los casos, la fotodesencapsulación es la técnica que revela la región activa de un compuesto mediante la fotólisis de la molécula protectora (la "jaula"). Sin embargo, la desencapsulación de la proteína requiere una longitud de onda, intensidad y sincronización adecuadas de la luz . Esto es posible gracias a que la fibra óptica puede modificarse para suministrar cantidades específicas de luz. Además, breves pulsos de estimulación permiten obtener resultados similares a los fisiológicos. Los pasos de la fotoestimulación son independientes del tiempo, ya que la administración de la proteína y la activación lumínica pueden realizarse en momentos diferentes. Esto se debe a que ambos pasos son interdependientes para la activación de la proteína. ^{[ 5 ]}

Algunas proteínas son fotosensibles por naturaleza y funcionan en presencia de luz. Las proteínas conocidas como opsinas constituyen la base de las proteínas fotosensibles. Estas proteínas se encuentran frecuentemente en el ojo. Además, muchas de ellas funcionan como canales iónicos y receptores . Un ejemplo es cuando se aplica una determinada longitud de onda de luz a ciertos canales, se elimina la obstrucción en el poro y se permite la transducción de iones. ^{[ 6 ]}

Para liberar moléculas, se requiere un sistema de fotólisis que rompa el enlace covalente . Un ejemplo de sistema puede consistir en una fuente de luz (generalmente un láser o una lámpara), un controlador para la cantidad de luz incidente, una guía para la luz y un sistema de suministro. A menudo, el diseño crea un medio entre la luz difusa que puede causar fotólisis adicional no deseada y atenuación de la luz; ambos son problemas importantes en 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 acuñó el término «enjaulamiento». Desafortunadamente, este término causó cierta confusión entre los científicos debido a que se usa a menudo para describir una molécula atrapada dentro de otra. También podría confundirse con el «efecto de enjaulamiento» en la recombinación de radicales. Por lo tanto, algunos autores decidieron usar el término «activado por luz» en lugar de «enjaulamiento». Ambos términos se usan actualmente. La primera «molécula enjaulada» sintetizada por Hoffman et al. en Yale fue el precursor enjaulado del derivado 1 del ATP . ^{[ 8 ]}

La fotoestimulación se caracteriza por su precisión temporal, que puede utilizarse para obtener un tiempo de inicio exacto de activación de efectores encapsulados. En combinación con inhibidores encapsulados , se puede estudiar el papel de las biomoléculas en momentos específicos del ciclo vital de un organismo. Se ha utilizado un inhibidor encapsulado de la proteína de fusión sensible a N-etilmaleimida (NSF), un mediador clave de la transmisión sináptica, para estudiar la dependencia temporal de la NSF. ^{[ 9 ]} Otros estudios han inducido la generación de potenciales de acción mediante el uso de neurotransmisores encapsulados como el glutamato. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Los neurotransmisores encapsulados, incluidos los precursores fotolábiles de glutamato , dopamina , serotonina y GABA , están disponibles comercialmente. ^{[ 12 ]}

La señalización durante la mitosis se ha estudiado utilizando moléculas reporteras con un fluoróforo encapsulado , que no se fosforila si no se ha producido 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 introducción del reportero.

Los iones de calcio desempeñan un papel importante en la señalización, y el control de su liberación mediante canales encapsulados ha sido ampliamente estudiado. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

Desafortunadamente, no todos los organismos producen o contienen cantidades suficientes de opsinas. Por lo tanto, es necesario introducir el gen de la opsina en las neuronas objetivo si no está presente en el organismo de estudio. La adición y expresión de este gen es suficiente para el uso de la optogenética. Entre los posibles métodos para lograrlo se incluyen la construcción de líneas transgénicas que contengan el gen o la transferencia génica aguda a un área o región específica dentro de un individuo. Estos métodos se conocen como transgénesis de la línea germinal y transferencia génica somática, respectivamente. ^{[ 17 ]}

La optogenética ha demostrado ser muy prometedora en el tratamiento de diversos trastornos neurológicos, como la enfermedad de Parkinson y la epilepsia. Tiene el potencial de facilitar la manipulación y la focalización de tipos celulares o circuitos neuronales específicos, características de las que carecen las técnicas actuales de estimulación cerebral, como la estimulación cerebral profunda (DBS). Hasta el momento, el uso de la optogenética en el tratamiento de enfermedades neurológicas solo se ha implementado prácticamente en el campo de la neurobiología para comprender mejor los mecanismos de trastornos específicos. Antes de que la técnica pueda aplicarse directamente al tratamiento de estos trastornos, es necesario que se produzcan avances en otros campos relacionados, como la terapia génica, la ingeniería de opsinas y la optoelectrónica. ^{[ 18 ]}

• Canalrodopsina y halorrodopsina mediadoras de la fotoestimulación
• Centro de Recursos de Optogenética