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Les « interrupteurs de lumière » génétiques contrôlent les mouvements musculaires
À l'aide de protéines photosensibles d'une algue unicellulaire et d'un minuscule brassard à LED placé sur un nerf, les chercheurs ont déclenché la contraction des muscles des pattes de souris en réponse à des impulsions lumineuses d'une milliseconde.
Mouvement léger : Cette image montre une coupe transversale d'un nerf sciatique de souris génétiquement modifié pour produire une protéine sensible à la lumière (en vert). Les chercheurs de Stanford ont utilisé cette protéine pour déclencher des mouvements musculaires dans la jambe de l'animal.
L'étude, publiée dans la revue Médecine naturelle , marque la première utilisation de la technologie naissante connue sous le nom d'optogénétique pour contrôler les mouvements musculaires. Développé par le coauteur de l'étude Karl Deisseroth , professeur agrégé de bio-ingénierie et de psychiatrie et sciences du comportement à l'Université de Stanford, l'optogénétique permet de stimuler les neurones par la lumière en insérant le gène d'une protéine appelée channelrhodopsine-2, issue d'une algue verte. Lorsqu'un neurone modifié est exposé à la lumière bleue, la protéine initie une activité électrique à l'intérieur de la cellule qui se propage ensuite de neurone à neurone. En contrôlant quels neurones fabriquent la protéine, ainsi que quelles cellules sont exposées à la lumière, les scientifiques peuvent contrôler l'activité neuronale chez les animaux vivants avec une précision sans précédent. L'autre auteur principal de l'article, Scott Delp , professeur de bio-ingénierie, de génie mécanique et de chirurgie orthopédique à Stanford, affirme que la méthode de contrôle optique offre des avantages fantastiques par rapport à la stimulation électrique pour son étude des muscles et de la biomécanique du mouvement humain.
Les membres du laboratoire de Deisseroth avaient conçu des souris pour produire de la channelrhodopsine-2 dans les systèmes nerveux central et périphérique. Michael Llewellyn, un ancien étudiant diplômé du laboratoire de Delp, a développé un minuscule brassard à LED implantable pour appliquer uniformément la lumière sur le nerf. Il a placé le brassard sur les nerfs sciatiques de souris anesthésiées et a déclenché des impulsions lumineuses d'une milliseconde. Cela a provoqué la contraction des muscles des jambes des souris. Lorsque Llewellyn a comparé les contractions musculaires stimulées par la lumière à celles générées à l'aide d'un brassard électrique similaire, il a découvert que les contractions déclenchées par la lumière étaient beaucoup plus similaires à l'activité musculaire normale.
Les muscles sont constitués de deux fibres différentes : des fibres petites, lentes et résistantes à la fatigue qui sont généralement utilisées pour des tâches qui nécessitent un contrôle moteur fin sur de plus longues périodes, et des fibres plus grosses et plus rapides qui peuvent produire des forces plus élevées mais sont plus sujettes à la fatigue. Dans le corps, les petites fibres lentes sont activées en premier, les grandes fibres rapides étant réservées aux poussées rapides de puissance ou de vitesse. Lorsque les muscles sont stimulés par des impulsions électriques, les fibres rapides s'activent en premier. Avec le commutateur optogénétique, cependant, les fibres ont été recrutées dans l'ordre physiologique normal : les fibres lentes d'abord, les fibres rapides ensuite. En modifiant l'intensité de la lumière, Llewellyn a découvert qu'il ne pouvait même déclencher que les fibres lentes, un exploit impossible avec une stimulation électrique.
À court terme, dit Delp, la technologie améliorera les études que son laboratoire et d'autres mènent sur l'activité musculaire dans des modèles animaux d'AVC, de paralysie, de SLA et d'autres troubles neuromusculaires. Il espère également qu'avec le temps, concède-t-il, de tels commutateurs optiques pourraient être utilisés pour aider les patients souffrant de handicaps physiques causés par des lésions nerveuses telles qu'un accident vasculaire cérébral, une lésion de la moelle épinière ou une paralysie cérébrale. Une possibilité, dit-il, serait d'utiliser la stimulation optique à la place de la stimulation électrique fonctionnelle (SEF), dans laquelle un courant électrique est appliqué à des nerfs ou des muscles spécifiques pour déclencher des contractions musculaires. La Food and Drug Administration des États-Unis a déjà approuvé les dispositifs FES qui peuvent restaurer la fonction de la main et le contrôle de la vessie chez certaines personnes paralysées. Cependant, la SEF peut rapidement entraîner une fatigue musculaire. Delp espère que, en particulier avec les fonctions de préhension, l'utilisation de la stimulation optique pourrait entraîner une meilleure résistance à la fatigue et peut-être un contrôle musculaire plus fin.
C'est une étude brillante, une science vraiment magnifique, dit Robert Kirsch , bioingénieur à la Case Western Reserve University et directeur associé du Cleveland Functional Electrical Stimulation Center ; il n'a pas été impliqué dans la recherche. Je pense qu'il y a de nombreuses [implications cliniques], dit-il, bien que, comme Delp et Llewellyn, il note que de nombreux obstacles importants doivent être surmontés, notamment le développement d'un moyen sûr et efficace de transmettre le gène de la rhodopsine-2 au nerf cellules chez l'homme. Sinon, dit Kirsch, ma seule objection serait leur implication selon laquelle ils ont résolu le problème de la fatigue avec FES. Je suis presque sûr que ce n'est pas arrivé. Au lieu de cela, Kirsch pense que la plupart de la fatigue observée chez les patients atteints de SEF est due à l'atrophie musculaire et à la faiblesse qui se développent chez les paralysés chroniques.
C.J. Heckman , professeur de physiologie à la Feinberg School of Medicine de la Northwestern University, est d'accord : il est vrai qu'une grande partie de la fatigue observée chez les patients atteints de SEF est due à une atrophie musculaire chronique. Mais, dit-il, si vous pouviez stimuler les muscles dans le bon ordre de recrutement à plusieurs reprises au fil du temps, vous pourriez potentiellement récupérer une grande partie de la fonction musculaire. Cela pourrait aider les patients paralysés à préserver leurs fibres musculaires lentes, ce qui serait énorme, dit Heckman. C'est parce que ces fibres font un énorme pourcentage du travail des muscles, du maintien de la posture à la frappe sur un clavier.
Delp pense également que les exercices basés sur la stimulation pourraient être une application importante pour le contrôle optique des muscles, tout comme aider les personnes en fauteuil roulant à se tenir debout pour prendre des livres ou des assiettes dans une armoire. Cependant, je ne suis pas très doué pour contrôler la locomotion, c'est-à-dire la marche, avec une stimulation électrique ou optique, dit Delp. C'est un système de commandement et de contrôle incroyablement compliqué qui est vraiment difficile à coordonner.
Entre-temps, Delp et Llewellyn ont commencé à s'efforcer d'utiliser une autre protéine sensible à la lumière, l'halorhodopsine, pour inhiber les nerfs moteurs chez la souris, dans l'idée de traiter ou même de guérir la spasticité musculaire, souvent un effet secondaire grave pour les lésions cérébrales ou vertébrales. . Les traitements actuels sont loin d'être idéaux ; les médecins peuvent injecter de la toxine botulique dans les muscles affectés tous les quelques mois pour les paralyser, utiliser des médicaments oraux tels que le Valium qui affectent tout le corps au lieu de simplement le muscle affecté ou, dans les cas les plus graves, couper les nerfs ou les tendons de la spastique muscle–un traitement permanent qui laisse le patient sans contrôle sur ce muscle. Delp espère que le génie génétique des nerfs avec l'halorhodopsine pourrait permettre aux gens d'utiliser la lumière pour détendre de manière réversible les muscles affectés par la spasticité.
Je pense que c'est une excellente idée pour traiter la spasticité, dit jerry argent , neuroscientifique à Case Western. Cependant, il peut y avoir des difficultés en cours de route, dit-il. En collaboration avec des collègues de Case, Silver a lancé une société appelée LucCell pour développer des applications cliniques de l'optogénétique. Dans un projet d'entreprise, des scientifiques essaient d'utiliser l'halorhodopsine et d'autres opsines inhibitrices dans des modèles animaux pour désactiver le muscle qui contrôle le sphincter de la vessie ; leur objectif ultime est de restaurer la fonction vésicale des personnes paralysées. Bien qu'ils aient vu des changements physiologiques dans le comportement du muscle sphincter, ils n'ont pas réussi à le détendre suffisamment. Nous apprenons qu'il est plus facile d'activer les choses que d'éteindre les choses, dit-il. Pourtant, l'équipe persiste, à la recherche de meilleurs moyens de transmettre le gène aux cellules nerveuses et de moyens d'augmenter la production de la protéine à la surface des cellules.
Tout dépend de la capacité à placer le transgène au bon endroit dans le génome de la personne sans causer de problèmes, convient Llewellyn. C'est le principal obstacle.