加州大學伯克利分校的科學家將一種綠色受體基因注入失明小鼠眼內，一個月后，這些小鼠就像沒有視力問題的小鼠一樣，輕松繞過障礙物。它們還能看到iPad上千倍范圍的位移、亮度變化以及足以區(qū)分字母的微小細節(jié)。
最短三年，研究人員說，這種滅活病毒基因治療可在因視網(wǎng)膜退化而失明的人身上進行，理想情況下，可以給人們足夠的視力，四處走動，甚至恢復閱讀或觀看視頻的能力。
“把這種病毒注射到人的眼睛里，幾個月后，他們就能看到一些東西，”加州大學伯克利分校的分子和細胞生物學教授Ehud Isacoff說。“視網(wǎng)膜的神經(jīng)退行性疾病，大多數(shù)操作試圖做的是停止或減緩進一步退行性變。但在幾個月內恢復視覺成像，這是一件令人驚奇的事情?！?/span>
全世界大約1.7億人患有年齡相關的黃斑變性。55歲以上的人有十分之一患有黃斑變性，另一方面全球170萬人遭受最常見的遺傳性失明，即色素性視網(wǎng)膜炎，40歲時告別光明。
“我有一些感受不到光的朋友，他們的生活方式讓人心痛，”驗光學院分子與細胞學教授John Flannery說。“面對常人認為理所當然的事情，例如，去酒店，每個房間的布局都有點不同，他們需要有人在房間周圍走動，同時在頭腦中構建一個三維地圖。任何日常物品，例如一張低腳咖啡桌，都有可能充滿危險。同時，負擔喪失視力的殘疾人群，精力和花費也是巨大的?！?/span>
目前，這些患者的選擇僅限于一種電子眼植入物，這種植入物與一副眼鏡上的攝像機相連，這是一種笨拙、有侵入性而且昂貴的裝置。在視網(wǎng)膜上呈現(xiàn)的圖像相當于幾百像素，而正常、清晰的視覺需要數(shù)百萬像素。
矯正視網(wǎng)膜變性的基因缺陷按道理也不是那么容易。僅僅是視網(wǎng)膜色素變性就有250多種不同基因突變，其中大約90%是殺死視網(wǎng)膜感光細胞的“兇手”。除了感光細胞，視網(wǎng)膜細胞的其他層，包括兩極細胞和神經(jīng)節(jié)細胞通常在人們完全失明后的幾十年里仍可以保持健康，患者就是對光不敏感而已。
在小鼠實驗中，研究小組成功地使90%的視網(wǎng)膜細胞恢復對光敏感。
Isacoff和Flannery等人將這項研究成果發(fā)表在3月15日的Nature Communications。
20年前你就可以這么做了
為了逆轉小鼠失明，研究人員設計了一種以視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞為靶標的病毒，并將該病毒的基因加載到一種光敏受體上，即綠色（中波長）視錐蛋白。通常情況下，這種視蛋白只由視錐感光細胞表達，所以這些細胞對黃綠光敏感。病毒將基因攜帶到神經(jīng)節(jié)細胞中，這些原本對光不敏感的神經(jīng)節(jié)細胞變得對光敏感，并能向大腦發(fā)送解釋為視覺的信號。
“在鼠模型身上我們可以測試注射量的起效極限，”Flannery說?！暗D化在病人身上，還有待觀察。”
在小鼠身上，研究人員能夠將視蛋白傳遞給視網(wǎng)膜上大多數(shù)神經(jīng)節(jié)細胞。人眼中含有的神經(jīng)節(jié)細胞是鼠眼的數(shù)千倍，為了治療人類，需要注射更多病毒顆粒。研究小組繼續(xù)開發(fā)了增強病毒傳播的方法，并希望可以傳遞非常高的像素。
經(jīng)過十多年更為復雜的方案改造，Isacoff和Flannery發(fā)明了一個可行的簡便方法，包括將基因工程化的神經(jīng)遞質受體和光敏化學開關插入存活的視網(wǎng)膜細胞中。然而，方法雖然有效，還是沒有達到正常視力的敏感性，需要使用放大鏡。
為了捕捉高靈敏度的自然視覺，他們轉向了光感受器細胞的光受體視蛋白。利用自然感染神經(jīng)節(jié)細胞的腺相關病毒（AAV），將視網(wǎng)膜視蛋白整合入了神經(jīng)節(jié)細胞的基因組，從此，失明的小鼠獲得了持續(xù)一生的視力。
“這個系統(tǒng)非常令人滿意，部分原因是它也非常簡便，”Isacoff說。“具有諷刺意味的是，20年前你就可以做到這一點?！?/span>
他們正在籌備資金，以便在三年內將基因療法轉化給人類。類似的AAV輸送系統(tǒng)已經(jīng)被FDA批準用于有退行性視網(wǎng)膜疾病并且沒有醫(yī)療替代品的眼部疾病患者使用。
不可能完成的任務
大多數(shù)視覺領域的專家都會質疑，轉基因視蛋白是否能在除視錐/桿細胞以外的細胞中發(fā)揮作用。光感受器的表面裝飾著視蛋白，視桿細胞中含有視紫紅質，視錐細胞中含有紅、綠、藍視蛋白。這些視蛋白嵌在一個復雜的分子機器中，繼電器“G蛋白”耦合受體信號級聯(lián)，有效地放大信號，我們才能檢測到單個光子。一旦檢測到光子，一個酶系統(tǒng)給視蛋白充電，然后“漂白”。反饋調節(jié)使系統(tǒng)適應截然不同的背景亮度。專門的離子通道產(chǎn)生強大的電壓信號。如果不移植整個系統(tǒng)，科學家們有理由懷疑視蛋白不會起作用。
但是專門研究神經(jīng)系統(tǒng)G蛋白耦聯(lián)受體的Isacoff知道，所有細胞已經(jīng)具備其中許多部分。他懷疑，視蛋白會自動連接進入視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞的信號系統(tǒng)。他和Flannery一起先嘗試了比視錐細胞對光更敏感的視紫紅質。
令他們高興的是，當視紫紅質被引入視桿細胞和視錐細胞統(tǒng)統(tǒng)完全退化的小鼠神經(jīng)節(jié)細胞后，動物們從失明又恢復了辨別黑暗和光明（甚至是微弱的室內光線）的能力。但由于視紫紅質速度太慢，在圖像和物體識別上都失敗了。隨后他們才嘗試了綠色視錐蛋白，其反應速度是視紫紅質的10倍。
治療后的小鼠能夠區(qū)分橫線和豎線，間隔近的和間隔遠的平行線（一項檢測人類視覺敏銳度的任務），移動線和靜止線等等。恢復后的視覺是如此敏銳，以至于用iPad就可以完成測驗，而不需要更亮的LED光源。
“這一點非常重要，對盲人來說，重新獲得閱讀電腦顯示器、通過視頻交流、觀看電影的能力是多么美妙，”Isacoff說。
正是這些成果讓Isacoff等人想更進一步?？纯从眠@種方法恢復視力的動物能否獨自導航。結果是積極的，失明的小鼠重新獲得了它們最自然的行為能力：識別和探索三維物體。
隨后他們又提出了一個問題：如果換成是人，在戶外明亮光線下，他們會被過強的光蒙蔽嗎？
Isacoff說，綠色視蛋白信號通路可以適應亮度變化，這種適應在1000倍左右的范圍內有效，基本上就是室內和室外平均照明的差異，動物可以像正常有視力的動物一樣完成任務。
“當所有人都在說，它絕對不會起作用，你已經(jīng)瘋了的時候，我們相當于第一次做到了在液晶電腦屏幕上恢復了圖像視覺，第一次適應環(huán)境光變化，第一次恢復了自然物體視覺，”Isacoff說。
課題組目前正在測試有關色覺主題變化，進一步提高敏銳度和適應能力。
參考文獻：
Restoration of high-sensitivity and adapting vision with a cone opsin
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