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Nature子刊:用光控制骨骼肌

摘要 : 德国Bonn大学的研究人员通过光遗传学技术,让小鼠咽喉的肌肉变得对光敏感。用光刺激喉肌不仅可以揭示其作用机制,还有望治疗喉麻痹(laryngeal paralysis)导致的发声和呼吸困难。这一成果发表在六月二日的Nature Communications杂志上。

 光遗传学技术将编码光敏蛋白(channelrhodopsin)的基因插入细胞,让原本应答电信号的细胞能够对光刺激做出反应。2005年科学家们首次用光遗传学技术改造了神经元,在那以后该技术就成为了研究大脑和神经系统的标准工具。不过,光遗传学技术在神经科学以外的应用还比较少。

“这项研究展示了光遗传学技术解决重要医学问题的潜力,”加州大学的生理学家Julio Vergara说。

此前,Bonn大学的研究人员曾经用光遗传学技术对小鼠心肌进行过改造。“骨骼肌遵从的规则与心脏不同,”文章的共同作者,Bonn大学的Philipp Sasse说。“骨骼肌里的每个肌纤维都能单独收缩,可以非常精确的控制肌肉运动和肌肉强度。”

研究人员通过基因工程改造,让小鼠喉肌生产光敏蛋白channelrhodopsin。甲状腺手术和神经疾病都有可能引起喉麻痹,导致喉肌无法在呼吸时打开。通过电刺激治疗喉麻痹的效果并不好,Sasse说。因为呼吸道的肌纤维排列得很紧密,电极很难在不影响其他肌纤维的情况下进行刺激,除非先用肉毒杆菌毒素处理。此外,植入电极并不舒适,而且会快速降解。

研究表明,用光刺激肌纤维能够实现更精确的控制。在理论上,光遗传学将来可以治疗多种运动障碍,Vergara说。在许多疾病中,神经虽然降解了但肌肉还有活力。“能够稳定肌肉的任何方法,都有望带来治疗疾病的希望,”他说。

研究人员希望明年对猪进行光遗传学的活体实验,因为猪有一些特别的优势。举例来说,猪的气管比小鼠大,其形态和大小与人类更为相似。适合猪的发光设备,也可能适用于人类,Sasse说。

原文标题:Optogenetic control of contractile function in skeletal muscle

 

原文摘要:Optogenetic stimulation allows activation of cells with high spatial and temporal precision. Here we show direct optogenetic stimulation of skeletal muscle from transgenic mice expressing the light-sensitive channel Channelrhodopsin-2 (ChR2). Largest tetanic contractions are observed with 5-ms light pulses at 30 Hz, resulting in 84% of the maximal force induced by electrical stimulation. We demonstrate the utility of this approach by selecively stimulating with a light guide individual intralaryngeal muscles in explanted larynges from ChR2-transgenic mice, which enables selecive opening and closing of the vocal cords. Furthermore, systemic injection of adeno-associated virus into wild-type mice provides sufficient ChR2 expression for optogenetic opening of the vocal cords. Thus, direct optogenetic stimulation of skeletal muscle generates large force and provides the distinct advantage of localized and cell-type-specific activation. This technology could be useful for therapeutic purposes, such as restoring the mobility of the vocal cords in patients suffering from laryngeal paralysis.

来源: Nature Communications 浏览次数:0

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