پژوهشی بسیار امیدبخش: درمان نابینایی به کمک ژن‌ درمانی

به‌تازگی درمان جدیدی برای نابینایی ارائه شده است که شیوه‌ی عمل به‌شدت ساده‌ای دارد. در این روش، دانشمندان ژن مربوط‌به گیرنده‌ی نور سبز را وارد چشم‌ موش‌های نابینا کردند و یک ماه بعد دیدند که موش‌های نابینا درست همچون موش‌های سالم در اطراف موانع حرکت می‌کنند. آن‌ها قادر به دیدن حرکات و درک تغییر در میزان روشنایی بودند. پژوهشگران می‌گویند که فقط طی سه سال، این روش‌ ژن‌درمانی (تحویل ژن با استفاده از ویروس غیرفعال) می‌تواند روی انسان‌هایی که بینایی خود را به‌علت تخریب شبکیه‌ی چشم از دست داده‌اند، آزمایش شود و به‌طور ایده‌آل به آن‌ها بینایی کافی برای حرکت در اطراف و نیز احتمالا بازیابی توانایی خواندن یا تماشای ویدئو ببخشد. ایهود ایساکف، استاد زیست‌شناسی سلولی و ملکولی دانشگاه برکلی می‌گوید:

شما این ویروس را به چشم فرد تزریق می‌کنید و چند ماه بعد او می‌تواند چیزهایی را ببیند. درمورد بیماری‌های تخریب‌کننده‌ی اعصاب شبکیه‌ی چشم، هدف درمانی که اغلب وجود دارد این است که از تخریب بیشتر پیشگیری شود یا اینکه روند تخریب کند شود. اما روشی که بتواند موجب بازیابی بینایی طی چند ماه شود، شگفت‌آور است.

ویروس‌های وابسته به آدنو یا AAV را که برای هدف‌گیری سلول‌های خاصی در شبکیه‌ی چشم مهندسی شده‌اند، می‌توان به‌طور مستقیم داخل زجاجیه چشم تزریق کرد. در این روش ژن‌ها با دقت بیشتری به سلول‌های هدف تحویل داده می‌شوند. دقت استفاده از انواع مهندسی‌نشده‌ی AAV که باید مستقیما زیر شبکیه‌ی چشم تزریق شوند، کمتر است. دانشمندان علوم اعصاب دانشگاه برکلی کالیفرنیا با استفاده از AAVها، سلول‌های گانگلیون چشم را مورد هدف قرار دادند. این ویروس‌ها حامل ژنی برای اوپسین سبز بودند و موجب ایجاد خصوصیت حساسیت به نور در سلول‌های گانگلیونی که به‌طور طبیعی نابینا هستند، شدند.

حدود ۱۷۰ میلیون فرد در سرتاسر جهان دچار دژنراسیون ماکولای (تباهی لکه زرد) وابسته به سن هستند؛ بیماری که از هر ۱۰ فرد بالای ۵۵ سال، یک نفر را درگیر می‌کند. درهمین حین، ۱/۷ میلیون نفر در سرتاسر جهان دارای رایج‌ترین فرم نابینایی توارثی یعنی رتینیت پیگمانتر (ورم رنگیزه‌ای شبکیه) هستند که معمولا از سن ۴۰ سالگی موجب نابینایی افراد می‌شود. جان فلانری استاد زیست‌شناسی سلولی و ملکولی دانشگاه برکلی می‌گوید:

من دوستانی دارم که ادراک نوری ندارند و شیوه‌ی زندگی آن‌ها قلب انسان را به درد می‌آورد. آن‌ها باید به آنچه افراد بینا می‌بینند، تکیه کنند. برای مثال هر زمان که آن‌ها به یک هتل می‌روند، طراحی هر اتاق مقداری متفاوت است و آن‌ها نیاز دارند که کسی با آن‌ها در اطراف اتاق راه برود تا آن‌ها بتوانند یک نقشه‌ی سه‌بعدی را در ذهن خود تجسم کنند. تمام اشیاء معمولی مثلا حتی یک فنجان قهوه می‌توانند برای آن‌ها دردسر ساز باشد. بار بیماری درمیان افرادی که دچار نابینایی شدید و ناتوان کننده هستند، بسیار زیاد است و آن‌ها شاید نخستین کاندیداهای این نوع درمان باشند.

حدود ۱۷۰ میلیون فرد در سرتاسر جهان دچار دژنراسیون ماکولای وابسته به سن هستند

گزینه‌های درمانی فعلی چنین بیمارانی محدود به پیوند چشم الکترونیکی متصل به یک دوربین ویدئویی است که روی یک جفت شیشه قرار می‌گیرد. یک روش ناخوشایند و تهاجمی که موجب ایجاد تصویری در شبکیه می‌شود که معادل یک تصویر چند صد پیکسلی است. دید طبیعی و سالم انسان‌ها میلیون‌ها پیکسل را شامل می‌شود.

تصحیح نقص ژنتیکی مسئول تخریب شبکیه ساده نیست زیرا بیش از ۲۵۰ جهش ژنتیکی مختلف وجود دارند که فقط موجب رتینیت پیگمانتر می‌شوند. حدود ۹۰ درصد از این جهش‌ها موجب مرگ سلول‌های گیرنده‌ی نور موجود در شبکیه یعنی سلول‌های میله‌ای حساس به نور کم و سلول‌های مخروطیِ مورد نیاز برای درک رنگ در روشنایی روز می‌شوند. اما تخریب شبکیه معمولا به دیگر لایه‌های سلول‌های شبکیه سرایت نمی‌کند. سلول‌های دوقطبی و سلول‌های گانگلیون موجود در شبکیه اگرچه نسبت‌به نور حساس نیستند، ولی می‌توانند تا دهه‌ها پس از اینکه فرد کاملا نابینا شد، باقی بمانند.

دانشمندان دانشگاه برکلی در آزمایش‌هایی که روی موش‌های نابینا انجام دادند، توانستند ۹۰ درصد از سلول‌های گانگلیون را حساس به نور کنند. این موفقیت در مجله‌ی Nature Communications گزارش شده است.

پژوهشگران برای معکوس کردن نابینایی در این موش‌ها، ویروسی طراحی کردند که سلول‌های گانگلیون را مورد هدف قرار دهد و این ویروس را با ژن مرتبط با یک گیرنده‌ی حساس به نور (اوپسین مخروطی سبز) مجهز کردند. به‌طور معمول، این اوپسین تنها در سلول‌های گیرنده‌ی نور مخروطی بیان می‌شود و آن‌ها را نسبت به نور سبز-زرد حساس می‌کند. این ژن وقتی به همراه ویروس به چشم تزریق شد، ویروس ژن را وارد سلول‌های گانگلیون که به‌طور طبیعی حساس به نور نیستند، کرد و موجب شد این سلول‌ها حساس به نور شده و بتوانند سیگنال‌هایی را به مغز بفرستند که در آنجا به‌عنوان بینایی تفسیر شود. فلانری گفت:

تا حدودی که ما توانستیم در موش آزمایش کنیم، شما می‌توانید بگویید که بدون هیچ تجهیزات خاصی، رفتار موش‌های نابینای درمان شده به روش اپتوژنتیکی نظیر رفتار موش‌های طبیعی بود. باید دید که این روش چگونه روی یک بیمار ترجمه می‌شود.مقاله‌های مرتبط:بازیابی بینایی موش‌های نابینا با روشی مبتنی بر کاربرد طلا و تیتانیومایجاد قابلیت دید در شب با کمک نانوذارتنخستین عمل روباتیک چشم انسان

پژوهشگران توانستند در موش، اوپسین‌ها را به بیشتر سلول‌های گانگلیون موجود در شبکیه تحویل دهند. برای درمان انسان‌ها، آن‌ها باید ذرات ویروسی بسیار بیشتری را تزریق کنند زیرا تعداد سلول‌های گانگلیون در چشم انسان هزاران برابر چشم موش است. اما گروه برکلی ابزارهایی را برای افزایش تحویل ویروس توسعه داده‌اند و امیدوارند بتوانند حسگر نوری جدید را در درصد نسبتا بالایی از سلول‌های گانگلیون وارد کنند تا اندازه‌ای که با شمار بسیار زیاد پیکسل‌های موجود در یک دوربین برابری کند.

ایساکوف و فلانری پس از بیش از یک دهه تلاش روی طرح‌های پیچیده‌تری نظیر وارد کردن ترکیباتی از گیرنده‌های نوروترانسمیتر مهندسی‌شده و سوئیچ‌های شیمیایی حساس به نور به سلول‌های باقیمانده‌ی شبکیه، سرانجام به این طرح ساده روی آوردند. اگرچه این روش پیچیده نیز تاحدودی نتیجه داد ولی نتوانست حساسیت دید طبیعی را به‌دست آورد. اوپسین‌های برخی از میکروب‌ها نیز مورد آزمایش قرار گرفتند ولی آن‌ها نیز دارای حساسیت پایینی بودند و نیاز به استفاده از عینک‌های تقویت‌کننده‌ی نور داشتند.

برای رسیدن به حساسیت بالای دید طبیعی، ایساکوف و فلانری به اوپسین‌های گیرنده‌ی نور سلول‌های گیرنده‌ی نور روی آوردند. فلانری و ایساکوف با استفاده از AAVها که به‌طور طبیعی سلول‌های گانگلیون را عفونی می‌کنند، به‌طور موفقیت‌آمیزی ژن یک اوپسین شبکیه را به ژنوم سلول‌های گانگلیون تحویل دادند. موش‌هایی که قبلا نابینا بودند، بینایی خود را به‌دست آوردند و این بینایی برای یک عمر برای آن‌ها ماندگار بود. ایساکوف گفت:

اینکه این سیستم کار می‌کند، واقعا رضایت‌بخش است مخصوصا که این سیستم بسیار ساده است. درواقع می‌شد این کار را ۲۰ سال پیش هم انجام داد.

ایساکوف و فلانری درحال جمع‌آوری منابع مالی برای اجرای این روش ژن‌درمانی در یک آزمایش انسانی سه ساله هستند. سازمان غذا و داروی آمریکا، سیستم‌های AAV مشابهی را برای درمان بیماری‌های چشم در افراد مبتلا به بیماری‌های تخریب‌کننده‌ی شبکیه و بیماری‌هایی که درمان دیگری ندارند، تأیید کرده است.

بنا به‌گفته‌ی فلانری و ایساکوف، بیشتر افرادی که در زمینه‌ی بینایی کار می‌کنند، این سؤال را مطرح می‌کنند که آیا اوپسین‌ها می‌توانند خارج از سلول‌های اختصاصی خود عمل کنند یا نه. سطح یک گیرنده‌ی نوری دارای شمار زیادی اوپسین است (رودوپسین در سلول‌های میله‌ای و اوپسین‌های قرمز، سبز و آبی در سلول‌های مخروطی) و همه‌ی این‌ها در یک ماشین ملکولی پیچیده تعبیه شده‌اند. یک تقویت‌کننده‌ی ملکولی (پروتئین G همراه‌با سیستم سیگنال‌دهنده‌ی گیرنده) سیگنال را چنان تقویت می‌کند که ما قادر هستیم فوتون‌های انفرادی نور را تشخیص دهیم. در اینجا یک سیستم آنزیمی وجود دارد که وقتی اوپسین نور را تشخیص داد و سیگنالش منتقل شد، مجددا آن را شارژ می‌کند. این تنظیم بازخوردی، سیستم را دربرابر روشنایی‌های بسیار متفاوت سازگار می‌کند و یک کانال یونی اختصاصی یک سیگنال ولتاژ قوی تولید می‌کند. با درنظرگرفتن کل این سیستم، منطقی بود که تصور کنیم این روش نتیجه‌ای نخواهد داشت. اما ایساکوف که متخصص گیرنده‌های جفت‌شونده با پروتئین G در سیستم عصبی است، می‌دانست که بیشتر این اجزاء در تمام سلول‌ها وجود دارند. او حدس می‌زد که یک اوپسین به‌صورت خودکار به سیستم سیگنال‌دهی سلول‌های گانگلیون شبکیه متصل خواهد شد. او همراه‌با فلانری در ابتدا روی رودوپسین که درمقایسه با اوپسین‌های مخروطی، حساسیت بیشتری به نور دارد، کارخود را آغاز کرد.

با وارد کردن رودوپسین به سلول‌های گانگلیونِ موش‌هایی که سلول‌های میله‌ای و مخروطی آن‌ها به کلی تخریب شده بود و نابینا شده بودند، این حیوانات توانایی تشخیص نور از تاریکی را پیدا کردند اما سرعت عمل رودوپسین بسیار آهسته بود و در تشخیص تصاویر و اشیاء موفق نبود. پژوهشگران پس از آن روی اوپسین سبز مخروطی که سرعت واکنش آن نسبت‌به رودوپسین ۱۰ برابر بیشتر بود، کار کردند. به‌طور قابل ملاحظه‌ای، موش‌ها توانستند خطوط موازی را از خطوط افقی، خطوطی را که با هم فاصله‌ی نزدیکی دارند، از خطوطی که از هم فاصله‌ی دوری دارند و نیز خطوط متحرک را از خطوط ثابت تشخیص دهند. بینایی بازیابی‌شده چنان حساس بود که می‌شد به‌جای LEDهای بسیار نورانی، از iPad استفاده کرد. ایساکوف گفت:

این نتایج حاوی پیام مهمی بود. برای افراد نابینا چقدر شگفت‌انگیز است که توانایی خواندن یک مانیتور استاندارد کامپیوتر را مجدد به دست آوردند و بتوانند با استفاده از ویدئو ارتباط برقرار کرده و به تماشای فیلم بنشینند.

این موفقیت‌ها باعث شد ایساکوف و فلانری بخواهند یک قدم جلوتر رفته و ببینند که آیا حیوانات می‌توانند با بینایی بازیابی‌شده جهان خود را جهت‌یابی کنند؟ اینجا هم اوپسین مخروطی سبز موفق شد. موش‌هایی که بینایی خود را به‌دست آورده بودند، توانایی انجام یکی از مهم‌ترین رفتارهای طبیعی را نیز کسب کردند: تشخیص و کاوش اشیاء سه‌بعدی. پژوهشگران سپس این سؤال را مطرح کردند: چه اتفاقی خواهد افتاد اگر فردی که بینایی خود را به‌دست آورده، وارد فضای بیرون که دارای نور روشن‌تری است، شود؟ آیا نور او را نابینا خواهد کرد؟ ایساکوف گفت:

در اینجا یکی دیگر از ویژگی‌های شگفت‌آور سیستم آشکار شد: مسیر سیگنال‌دهی اوپسین مخروطی سبز سازگار شد.

حیواناتی که قبلا نابینا بودند، دربرابر تغییرات در روشنایی سازگار شده و توانستند وظایف خود مانند حیوانات طبیعی انجام دهند و این سازگاری در طیف وسیعی از نور وجود داشت. فلانری گفت:

وقتی همه می‌گویند این کار هرگز عملی نیست و شما دیوانه هستید، معمولا بدان معنا است که شما در مسیر کشف چیز مهمی قرار گرفته‌اید.

درواقع نتایج این مطالعه معادل نخستین بازیابی موفقت‌آمیز دید الگو با استفاده از یک صفحه‌ی نمایش LED، نخستین سازگاری نسبت‌به تغییر در نور محیط پیرامون و نخستین مورد بازیابی دید طبیعی اشیاء است. پژوهشگران دانشگاه برکلی اکنون در حال انجام آزمایش‌هایی هستند که بتوانند بینایی رنگ را بازگردانند و نیز تیزبینی و سازگاری را افزایش دهند.