Optogenética: la técnica que permite controlar neuronas con luz logra avances significativos en tratamientos médicos

La optogenética se ha consolidado como una de las herramientas más revolucionarias en el campo de la neurociencia moderna. Esta técnica, que permite controlar con precisión la actividad de neuronas específicas mediante pulsos de luz, ha pasado de ser un método experimental a tener aplicaciones clínicas concretas.

Según la información disponible, la optogenética funciona mediante la expresión de canales iónicos, bombas o enzimas sensibles a la luz en células cerebrales objetivo. A nivel celular, las enzimas y factores de transcripción activados por luz permiten un control preciso de las vías de señalización bioquímica.

En 2010, la optogenética fue elegida como el "Método del Año" en todos los campos de la ciencia e ingeniería por la revista interdisciplinaria Nature Methods. En el mismo año, un artículo sobre "Avances de la Década" en la revista científica Science destacó esta tecnología por su impacto revolucionario.

La historia de esta técnica se remonta a 1979, cuando Francis Crick sugirió que controlar todas las células de un tipo en el cerebro, dejando las otras más o menos inalteradas, representaba un verdadero desafío para la neurociencia. Crick especuló que una tecnología que utilizara luz podría ser útil para controlar la actividad neuronal con precisión temporal y espacial, aunque en ese momento no existía ninguna técnica para hacer que las neuronas respondieran a la luz.

El desarrollo de la optogenética moderna comenzó a tomar forma en la década de 1990 y principios de 2000, con contribuciones fundamentales de varios grupos de investigación. En 2002, Boris Zemelman y Gero Miesenböck reportaron el primer método genéticamente dirigido que utilizaba luz para controlar neuronas sensibilizadas con rodopsina. Posteriormente, Peter Hegemann, estudiando la respuesta a la luz de algas verdes, descubrió fotocorrientes demasiado rápidas para ser explicadas por las rodopsinas animales clásicas.

Un avance crucial ocurrió cuando Karl Deisseroth en la Universidad de Stanford, junto con sus estudiantes Ed Boyden y Feng Zhang, en colaboración con Georg Nagel, publicaron en 2005 la primera demostración de un sistema optogenético de componente único en neuronas. Paralelamente, Zhuo-Hua Pan de la Universidad Estatal de Wayne, investigando sobre la restauración de la vista en casos de ceguera, probó la canalrodopsina en células ganglionares, las neuronas en los ojos humanos que se conectan directamente con el cerebro.

El hito más significativo en términos de aplicación clínica se produjo cuando, según la información disponible, la visión fue parcialmente restaurada en un paciente ciego con retinitis pigmentosa mediante tecnología optogenética. Este logro, liderado por Botond Roska y colaboradores en 2021, representa la primera aplicación médica de esta tecnología revolucionaria.

La optogenética proporciona una precisión temporal de milisegundos, lo que permite al experimentador mantener el ritmo del rápido procesamiento de información biológica. Para investigar el código neural, la optogenética debe operar en la escala de milisegundos para permitir la adición o eliminación de patrones de actividad precisos dentro de células específicas en los cerebros de animales intactos, incluidos los mamíferos.

Entre las proteínas activadas por luz que se utilizan en optogenética se encuentran las canalrodopsinas (ChR2, ChR1, VChR1 y SFOs) para excitar neuronas, y las canalrodopsinas conductoras de aniones para la inhibición inducida por luz. También se han diseñado recientemente canales de potasio controlados indirectamente por luz para prevenir la generación de potenciales de acción en neuronas durante la iluminación con luz azul.

La técnica optogenética es flexible y adaptable a las necesidades del experimentador. Las canalrodopsinas selectivas de cationes se utilizan para excitar neuronas, mientras que las canalrodopsinas conductoras de aniones inhiben la actividad neuronal. La combinación de estas herramientas en un solo constructo permite tanto la inhibición como la excitación, dependiendo de la longitud de onda de la iluminación.

A pesar de sus enormes ventajas, la optogenética enfrenta varios desafíos técnicos. Uno de los principales problemas es que no todas las células en cuestión pueden expresar el gen de opsina microbiana al mismo nivel. Por lo tanto, incluso la iluminación con una intensidad de luz definida tendrá efectos variables en células individuales. Además, sigue siendo difícil dirigir la opsina a compartimentos subcelulares definidos, como la membrana plasmática, las vesículas sinápticas o las mitocondrias.

Las aplicaciones de la optogenética han permitido avances en la comprensión científica fundamental de cómo tipos específicos de células contribuyen a la función de tejidos biológicos como los circuitos neuronales in vivo. En el ámbito clínico, la investigación impulsada por la optogenética ha llevado a conocimientos sobre la restauración con luz de enfermedades como el Parkinson y otros trastornos neurológicos y psiquiátricos como el autismo, la esquizofrenia, el abuso de drogas, la ansiedad y la depresión.

La optogenética también se ha utilizado para mapear circuitos neuronales en la amígdala que contribuyen al condicionamiento del miedo, y para identificar conexiones específicas como la realizada desde la amígdala basolateral hasta la corteza prefrontal dorsomedial, donde se han observado oscilaciones neuronales de 4 Hz en correlación con comportamientos de congelación inducidos por miedo en ratones.

El futuro de esta tecnología promete seguir expandiéndose, con aplicaciones potenciales que van desde tratamientos más precisos para trastornos neurológicos hasta interfaces cerebro-máquina avanzadas que podrían revolucionar nuestra comprensión y tratamiento de diversas condiciones médicas.