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光遗传学技术治疗视网膜色素变性的研究进展
【摘要】视网膜色素变性(RP)是一类由多种遗传因素引起的致盲性眼部疾病,
其特点是进行性视网膜光感受器细胞及色素上皮细胞功能丧失。其治疗也一直是
眼科研究的重点和难点,尽管干细胞移植、基因治疗、视网膜假体植入等在该病
治疗上已经取得进展,但目前仍然面临许多困难。光遗传学技术是一种结合光学
和遗传学的新兴生物学技术,它利用光刺激使RP的视网膜细胞表达光敏蛋白,
在一定程度上恢复患者视觉和感光能力,但依然存在靶细胞难以选择、病毒转染
的潜在风险以及视觉恢复的不确定性等局限。随着光敏蛋白敏感性不断提高,以
及更高转染效率的病毒载体不断开发,相信光遗传学技术会帮助更多的患者恢复
视觉。
【关键词】色素性视网膜炎;光遗传学;光刺激;光敏感通道
视网膜色素变性(retinitispigmentosa,RP)是一种遗传性神经退行性疾
病,常见的遗传方式包括常染色体显性、常染色体隐性和X染色体连锁遗传。至
今,已发现了超过100种与RP相关的基因突变,这些突变会导致视网膜光感受
器细胞进行性功能障碍和死亡,最终导致患者视力下降甚至致盲。这类疾病虽然
光感受器的功能和形态受到破坏,但视网膜内部的神经元,如双极细胞和视网膜
神经节细胞(retinalganglioncells,RGC),仍保持功能完好,具备处理视
觉信号和向大脑视觉中枢传递信息的能力[1]。光遗传学技术正是通过刺激这
些残留的细胞,利用基因转染或基因编辑技术将光敏感蛋白基因导入到残存的视
网膜细胞中,使这些细胞能表达光敏蛋白,对光产生反应,从而帮助患者恢复视
觉功能(图1)[2-3]。近年来研究发现光遗传技术在RP疾病治疗中具有巨
大的应用前景。现就视网膜神经元的结构功能、光遗传学相关的发病机制,以及
光遗传学技术治疗的研究进展作一综述,旨在帮助临床医生更好地认识和理解R
P疾病,为临床治疗提供参考和指导。
一、视网膜神经元的结构和功能
视网膜是位于眼球内部的神经组织,负责感知光线并将其转化为神经信号,
然后传输到大脑中进行分析形成视觉[4]。视网膜中存在5种不同类型的细胞,
包括光感受器细胞、双极细胞、RGC、水平细胞和无分泌细胞。在这些细胞中,
只有光感受器对光做出反应来提供视觉。光感受器作为视觉通路中的一级神经元,
包括视锥细胞和视杆细胞,启动了视觉信号的转导过程,然后将视觉信号传递到
双极细胞的二级神经元,然后再传递到RGC的三级神经元,而水平细胞和无分泌
细胞则参与视觉信号的整合。光转化为电信号是通过光传导级联完成的,涉及许
多酶反应和蛋白质组,导致环核苷酸门控通道开放和关闭[5]。光刺激时介导
视锥细胞超极化,水平细胞和OFF视锥双极细胞的阳离子通道开放减少,导致细
胞功能抑制,而ON视锥双极细胞的阳离子通道开放增加导致细胞去极化,即细
胞兴奋。最后,双极细胞将光信号传递至相应的OFF、ON和ON-OFF型RGC。不
同类型的RGC通过发放动作电位来编码神经活动,传递视觉信息。
二、光遗传学在RP疾病中的应用研究
光遗传学技术是将光学和遗传学相结合,其通过光介导的蛋白-蛋白相互作
用进而控制活细胞内通道的开启与关闭或信号通路元件的激活与失活。光遗传学
治疗优势在于晚期RP中仍能诱导残留的视网膜细胞具有光敏感性以恢复视力。
但是开发一种有效的光遗传治疗方法需要考虑多种因素,包括所使用的光敏蛋白、
表达的靶细胞以及基因传递的载体。
1.用于RP疾病的光敏蛋白:光敏蛋白是光遗传学治疗的核心工具,包括Ⅰ
型微生物型视蛋白和Ⅱ型动物型视蛋白,这些蛋白又可分为离子通道和G蛋白偶
联受体微生物型视蛋白包括光敏感通道蛋白2(channelrhodopsin-2,ChR2)
和噬盐菌视紫红质等光驱动离子泵。ChR2是绿藻来源的非特异性阳离子通道,
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可被蓝光激活(最适反应波长为470nm,光强度约为每平方厘米·秒1×10个
光子),使阳离子进入细胞导致去极化[2]。最初的研究发现,将病毒介导的
ChR2异位表达在rd1小鼠模型和RCS大鼠的RGC中,可恢复其视觉功能[6]。
同样的方法也用于晚期RP患者的临床试验,目前处于临床试验的Ⅰ/Ⅱa阶段(N
C[7]。但是该蛋白也存在不足,其需要的激活蓝光具有较高光强
度和较短波长,这些特征会产生视网膜
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