2019 03 15
非常简单。加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的科学家将一种绿光受体基因植入失明老鼠的眼睛，一个月后，他们就能像没有视力问题的老鼠一样轻松地绕过障碍物。他们能够在iPad上看到运动、上千倍范围内的亮度变化以及足以区分字母的精细细节。
研究人员说，这种通过灭活病毒传递的基因疗法，在短短三年内就可以在因视网膜退化而失明的人身上进行试验，理想的情况是让他们有足够的视力四处走动，并有可能恢复他们阅读或观看视频的能力。
治疗过的老鼠在笼子里探索玩具
用这种新疗法治疗的一只从前失明的老鼠像正常的有视力的老鼠一样探索它的环境。加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的研究人员希望为盲人提供一种类似的治疗方法，提供足够的视力，让他们能够轻松走动，或许还能阅读或观看电影。(照片由Ehud Isacoff和John Flannery拍摄)
加州大学伯克利分校(UC Berkeley)分子和细胞生物学教授、海伦·威尔斯(Helen Wills)神经科学研究所(Neuroscience Institute)所长埃胡德·伊萨科夫(Ehud Isacoff)说:“你把这种病毒注入一个人的眼睛，几个月后，他们就会看到一些东西。”“患有视网膜神经退行性疾病的人，通常都会试图阻止或减缓进一步的退行性疾病。但在几个月内就能恢复视觉——这是一件令人惊奇的事情。”
全球约有1.7亿人患有与年龄有关的黄斑变性，每10名55岁以上的人中就有1人患有这种疾病，而全球170万人患有最常见的遗传性失明——视网膜色素变性，这种疾病通常使人在40岁之前失明。
加州大学伯克利分校(UC Berkeley)分子和细胞生物学教授、验光学院(School of Optometry)的约翰弗兰纳里(John Flannery)说:“我有一些朋友没有光感，他们的生活方式令人心碎。”“他们必须考虑那些有视力的人认为理所当然的事情。例如，每次他们去酒店，每个房间的布局都有一点不同，他们需要有人带着他们在房间里走，同时他们在脑海中构建一个3D地图。日常物品，比如低矮的咖啡桌，可能是坠落的危险物。在视力严重受损的人群中，疾病的负担是巨大的，他们可能是这种疗法的第一个候选者。”
目前，这类患者的选择仅限于连接在一副眼镜上的摄像机上的电子眼植入物——这是一种笨拙的、侵入性的、昂贵的装置，能在视网膜上产生相当于目前几百像素的图像。正常、清晰的视觉需要数百万像素。
新的治疗方法包括将灭活病毒注射到玻璃体中，使基因直接进入神经节细胞。早期的病毒疗法需要在视网膜下注射病毒。该基因使正常情况下“失明”的神经节细胞对光敏感，使失去正常光感器、视杆细胞和视锥细胞的眼睛恢复视力。右图显示的是正常视网膜的细胞层。(约翰·弗兰纳里摄)
纠正导致视网膜退化的基因缺陷也不是一件简单的事情，因为光视网膜色素变性就有250多种不同的基因突变。其中大约90%杀死了视网膜的感光细胞——对昏暗光线敏感的视杆细胞和感知日光颜色的视锥细胞。但视网膜退行病变通常会使其他视网膜细胞层得以保留，包括双极型和视网膜神经节细胞，这些细胞虽然对光线不敏感，但在人完全失明后的几十年里仍然可以保持健康。
在对老鼠的实验中，加州大学伯克利分校的研究小组成功地使90%的神经节细胞对光敏感。
伊萨科夫、弗兰纳里和他们在加州大学伯克利分校的同事将在3月15日发表在《自然通讯》(Nature Communications)网站上的一篇文章中报告他们的成功。
"你20年前就可以这么做了"
为了逆转这些小鼠的失明，研究人员设计了一种针对视网膜神经节细胞的病毒，并在病毒中植入一种感光受体——绿色(中波)视锥蛋白的基因。正常情况下，这种视蛋白仅由锥状光感受器细胞表达，使其对黄绿色光敏感。当病毒注入眼睛时，病毒携带基因进入通常对光不敏感的神经节细胞，使它们对光敏感，并能够向大脑发送信号，被解释为视觉。
橙色的线记录了老鼠被放进一个奇怪的笼子后的第一分钟的运动。失明的老鼠(上)小心地保持在角落和两侧，而接受治疗的老鼠(中)几乎和正常视力的老鼠(下)一样探索笼子。(照片由Ehud Isacoff和John Flannery拍摄)
弗兰纳里说:“在我们能够对老鼠进行测试的范围内，你无法在没有特殊设备的情况下将经过光学基因治疗的老鼠的行为与正常老鼠区分开来。”“这对病人意味着什么还有待观察。”
在小鼠身上，研究人员能够将视蛋白传递到视网膜的大部分神经节细胞。为了治疗人类，他们需要注射更多的病毒颗粒，因为人类眼睛里的神经节细胞比老鼠的眼睛多几千倍。但加州大学伯克利分校的研究小组已经开发出了增强病毒传播的方法，并希望将这种新的光传感器植入同样高比例的神经节细胞中，其数量相当于相机中非常高的像素数。
伊萨科夫和弗兰纳里花了十多年时间尝试更复杂的方案，包括将基因工程神经递质受体和光敏化学开关的组合植入存活下来的视网膜细胞，终于找到了这个简单的解决方案。这些方法有效，但没有达到正常视力的灵敏度。在其他地方测试的微生物的视蛋白也有较低的敏感度，需要使用放大光的护目镜。
为了捕捉自然视觉的高灵敏度，Isacoff和Flannery转向光感受器细胞的光感受器视蛋白。利用一种自然感染神经节细胞的腺相关病毒(AAV)，弗兰纳里和伊萨科夫成功地将视网膜视蛋白基因导入神经节细胞的基因组。先前失明的老鼠获得了持续一生的视力。
Isacoff说:“这个系统的运行非常非常令人满意，部分原因是它非常简单。”“具有讽刺意味的是，你本可以在20年前做到这一点。”
伊萨科夫和弗兰纳里正在筹集资金，准备在三年内将这种基因疗法用于人体试验。美国食品及药物管理局(FDA)已经批准了类似的AAV输送系统，用于治疗视网膜退行性疾病患者的眼部疾病，这些患者没有其他医疗替代方案。
这是不可能的
弗兰纳里和伊萨科夫表示，大多数眼科领域的人都会质疑视蛋白是否可以在其特殊的视杆细胞和视锥细胞之外发挥作用。光感受器的表面装饰着视蛋白——视紫红质在杆状体中，红、绿、蓝视蛋白在视锥细胞中——这些视蛋白嵌入一个复杂的分子机器中。一个分子中继——g蛋白偶联受体信号级联——有效地放大了信号，使我们能够检测到单光子。一旦视蛋白检测到光子并“漂白”，酶系统就会给它充电。反馈调节使系统适应非常不同的背景亮度。一个专门的离子通道产生一个强大的电压信号。如果不移植整个系统，我们有理由怀疑opsin不会起作用。
正常视网膜层图
在正常的视网膜中，光感受器——杆状体(蓝色)和锥状体(绿色)——检测光线并将信号传递到眼睛的其他层，最后到达神经节细胞(紫色)，神经节细胞直接与大脑的视觉中心对话。
但专门研究神经系统中G蛋白偶联受体的伊萨科夫知道，所有细胞中都存在许多这样的受体。他怀疑视蛋白会自动连接到视网膜神经节细胞的信号系统。他和弗兰纳里最初一起尝试了视紫红质，这种视紫红质对光比视锥细胞视蛋白更敏感。
令他们高兴的是，当视紫红质被引入老鼠的神经节细胞时，这些老鼠的视杆细胞和视锥细胞已经完全退化，因此失明，这些老鼠恢复了分辨黑暗和光明的能力——甚至是微弱的室内光线。但是视紫红质被证明太慢，在图像和物体识别方面都失败了。
然后他们尝试了绿色视锥蛋白，其反应速度比视紫红质快10倍。值得注意的是，老鼠能够区分平行线和水平线，紧密间隔的线和宽间隔的线(一个标准的人类视力测试)，移动的线和静止的线。恢复后的视觉非常灵敏，ipad可以代替更亮的led用于视觉显示。
“这有力地把信息带回家，”伊萨科夫说。“毕竟，如果盲人能够重新获得阅读标准电脑显示器、通过视频交流和看电影的能力，那该有多好啊。”
这些成功让伊萨科夫和弗兰纳里想要更进一步，看看动物是否能够在恢复视力的情况下在世界中行走。令人惊讶的是，绿色视锥蛋白在这方面也取得了成功。失明的老鼠恢复了它们最自然的行为之一的能力:识别和探索三维物体。
老鼠被训练对ipad上的图案做出反应，而不是对更亮的led做出反应。经过训练的老鼠因遗传性视网膜疾病失明后，接受了基因治疗，使它们恢复了足够的视力，对ipad上的图案做出反应，几乎与失明前一样好。
然后他们问了这样一个问题:“如果一个视力恢复的人走到户外更明亮的光线下会发生什么?”他们会被光线弄瞎吗?在这里，该系统的另一个显著特征出现了，Isacoff说:绿色视锥蛋白信号通路适应环境。先前失明的动物适应了亮度的变化，可以像有视力的动物一样完成这项任务。这种适应性的工作范围大约是普通室内和室外照明的一千倍。
弗兰纳里说:“当每个人都说这招行不通，说你疯了的时候，通常意味着你找到了正确的方法。”事实上，这相当于第一次成功地利用液晶电脑屏幕恢复有图案的视觉，第一次适应环境光的变化，第一次恢复自然物体的视觉。
加州大学伯克利分校的研究小组目前正在测试这一主题的变异，这种变异可以恢复色觉，进一步提高敏锐度和适应能力。
这项工作由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)国家眼科研究所、生物功能光学控制纳米医学发展中心(nanommedicine Development Center for The Optical Control of Biological Function)、抗盲基金会(Foundation for Fighting blind)、希望视觉基金会(Hope for Vision Foundation)和洛伊医学研究所(Lowy Medical Research Institute)资助。
https://news.berkeley.edu/2019/0 ... -mice-regain-sight/ |
