Optogenetyka – nowatorska metoda, do której rozwoju niezbędna jest sieć 5G

Nie wiem, czy w dzisiejszym świecie są ludzie, którzy nie docenialiby medycyny i jej rozwoju. To, co jeszcze do niedawna uchodziło za śmiertelne zagrożenie, dziś często nie wzbudza nawet większych emocji. Tak jest niemal we wszystkich dziedzinach medycznych, które są jednymi z najszybciej rozwijających się sektorów na całym świecie. Nic jednak dziwnego, ponieważ od zarania dziejów ludzie chorowali i umierali. Na szczęście, w miarę postępu, udoskonalania istniejących już rozwiązań oraz opracowywania zupełnie nowych leków i form terapii, niemal każdego dnia ludzkość stawia kolejne kroki na drodze zwalczania poszczególnych przypadłości.

Trzeba przyznać, iż wydarzenia ostatnich kilkunastu miesięcy ponownie uświadomiły nam, jak ważne są nauki medyczne oraz dalszy rozwój tego obszaru. Pandemia koronawirusa sprawiła bowiem, że zaczęliśmy się bać o nasze zdrowie i życie, jak chyba jeszcze nigdy dotąd. Choć na całym świecie COVID-19 spowodował prawie 3,5 miliona zgonów, a ilość wszystkich odnotowanych przypadków wynosi ponad 167 milionów, to strach pomyśleć, jak te statystyki prezentowałyby się bez dotychczasowych osiągnięć medycznych. [1]

Niestety, wielokrotnie w trakcie zmagań z kryzysem sektory medyczne straciły tak zwaną wydolność, a na samą chorobę nie opracowano jeszcze skutecznego leku, który byłby dostępny na rynku. Nie zmienia to jednak faktu, iż wiele z zachorowań nie zakończyło się śmiercią m.in. dzięki specjalistycznemu sprzętowi medycznemu, jak choćby respiratory. Co więcej, to właśnie opracowanie szczepionek i ich powszechna dystrybucja od początku kryzysu wskazywane były, jako jedyna szansa ludzkości na przezwyciężenie tej dramatycznej sytuacji. Umożliwiają one bowiem nie tylko ograniczenie ryzyka zachorowania pacjenta zaszczepionego, ale też ograniczenie rozprzestrzenia się wirusa SARS-CoV-2 oraz zmniejszenie jego śmiertelności. [2]

Pandemia COVID-19 pokazała nam, że na świecie czyha jeszcze wiele niebezpieczeństw, i aby móc się przed nimi bronić w przyszłości, niezbędny jest dalszy rozwój medycyny. Nie dotyczy to jednak jedynie przyszłych, nieznanych zagrożeń. Nie możemy bowiem zapominać, iż wciąż istnieją przypadłości, na które ludzie nie znaleźli jeszcze sposobu i jest ich niestety bardzo wiele. Niemniej, wraz z rozwojem nowoczesnych technologii udaje się ratować kolejne życia i to czasami w niezwykle zaskakujący sposób. Do takich wyjątkowo ciekawych metod należy między innymi optogenetyka.

Z czym to się je? Czyli, co to właściwie jest optogenetyka?

Optogenetyka jest jedną z najnowszych i najbardziej perspektywicznych technik medycznych, która wchodzi w skład dziedzin neurobiologii oraz neuronauki ogólnej. [3] Podwaliny pod nią postawiono po raz pierwszy dopiero w 1999 roku, ale od tamtej pory metoda ta przeszła ogromną drogę i dziś jest postrzegana, jako przyszłość szeroko pojętej neurologii. Polega ona, w największym uproszczeniu, na stymulacji poszczególnych obszarów mózgu przy pomocy światła, co w efekcie wywołuje ich określone reakcje. Jak jednak dokładnie wygląda taki proces?

Najczęściej na nośniku wirusowym (niegroźnym dla człowieka) do neuronów wprowadzona zostaje sekwencja genu światłoczułego białka. Następnie wbudowuje się ona w błonę komórkową komórek nerwowych i sprawia, że tym samym stają się one wrażliwe na światło. Aby osiągnąć skoncentrowane działanie, zazwyczaj stosowana jest dodatkowo także sekwencja promotorowa, dzięki której efekt stosowania naświetleń dotyczy jedynie określonego rodzaju komórek. W związku z powyższym, pochodzenie nazwy tej dziedziny medycyny wydaje się nader oczywiste, bowiem łączy ona w sobie odniesienie zarówno do zastosowania światła, jak i do niezbędnej dla całego procesu manipulacji komórek na poziomie genetycznym.

Jak jednak wiadomo, ze względu na budowę organizmu człowieka światło nie dociera bezpośrednio do neuronów w sposób naturalny. Dlatego też, po tak zwanym uwrażliwieniu komórek, kolejnym ważnym elementem zabiegu jest źródło światła. Najłatwiejszym sposobem jest wprowadzenie światłowodu do mózgu danego obiektu. [4] Łatwo się jednak domyślić, że jest to również najbardziej inwazyjny i dość nieporęczny sposób. Trudno bowiem sobie wyobrazić, aby w razie potrzeby ciągłej stymulacji neuronów, pacjent był na stałe podłączony przewodem światłowodowym do skomplikowanej aparatury. Z drugiej strony, wielu naukowców próbowało zastosowania zewnętrznego źródła światła i choć osiągnięto już na tym polu pierwsze sukcesy, to kierunek ten ma przed sobą jeszcze bardzo daleką drogę i możliwe, że jego zastosowanie będzie ograniczone m.in. ze względu na umiejscowienie docelowych obszarów mózgu. [5] Na szczęście jednak, dzięki znacznemu rozwojowi technologii, powstały alternatywy mniej inwazyjne od światłowodów oraz znacznie bardziej zaawansowane od będących jeszcze w tzw. powijakach, zewnętrznych źródeł światła. Chodzi mianowicie o implanty mózgowe.

Implanty i bezprzewodowa transmisja danych

W przypadku tej młodej dziedziny, jaką jest optogenetyka, implanty wszczepiane bezpośrednio do mózgu nie są zaskakującym pomysłem. Można je raczej nazwać naturalną ewolucją, która prędzej czy później musiała stać się następstwem światłowodowych przewodów. Niestety, choć rozwiązanie to wydaje się dość oczywiste, to zajmujący się tematyką naukowcy zdają sobie sprawę, iż nie jest to tak łatwe, jak potencjalnie mogłoby się wydawać.

Samo wszczepianie tego typu urządzeń bezpośrednio do mózgu nie jest wszakże niczym nowym, a implanty różnego rodzaju są już od dawna wykorzystywane w medycynie. Jednymi z najwcześniej opracowanych były choćby te, umożliwiające poprawę, a w niektórych przypadkach nawet całkowite przywrócenie słuchu pacjentom borykającym się z problemami w tym obszarze. Jednakże, takowe sprzęty różnią się znacznie budową od układów optogenetycznych, które muszą posiadać stałe źródło zasilania, aby sukcesywnie działać. Sama ich implementacja bowiem nie wystarczy, ponieważ terapie optogenetyczne opierają się najczęściej na powtarzalności stymulacji komórek, w celu uzyskania oczekiwanego efektu.

Tu właśnie pojawił się największy problem na drodze optogenetyki, ponieważ implant wszczepiany do mózgu powinien być nieinwazyjny, a tym samym, być dostatecznie niewielkich rozmiarów. Z kolei zamontowanie źródła zasilania, które zapewniałoby wystarczające ilości energii przez cały okres stosowania urządzenia sprawiłoby, iż jego gabaryty znacznie przekraczałyby dopuszczalne granice. Inną możliwością jest ładowanie urządzenia, w określonych odstępach czasu. W tym przypadku jednak należy sobie uświadomić, że umieszczenie układu optogenetycznego w mózgu wymaga zabiegu chirurgicznego. Tak więc, aby uzyskać do niego dostęp w celu zasilenia go, konieczne byłoby systematyczne powielanie dość inwazyjnych i niekomfortowych dla pacjenta zabiegów w określonych odstępach czasu. Co oczywiste, rozwiązanie tego typu wpływałoby zdecydowanie niekorzystnie na jakość życia takiej osoby, a przecież cel terapii optogenetycznych jest dokładnie przeciwny.

Na szczęście, całkiem niedawno naukowcom udało się opracować nowatorską metodę nieinwazyjnego ładowania układów optogenetycznych. W jaki sposób? Za pomocą transmisji bezprzewodowej. Innowacyjne rozwiązanie pozwala nie tylko na zdalne ładowanie urządzenia, ale również na konfigurację na odległość, dzięki specjalnie do tego zaprojektowanej aplikacji. Benefity z tej metody są oczywiste: wystarczy jeden zabieg implantacji układu, a następnie można prowadzić długoterminową terapię optogenetyczną bez konieczności powielania zabiegu, ani jakichkolwiek innych, inwazyjnych czynności. [6] Wszystko to brzmi wspaniale, jednak jest pewien istotny problem, który uniemożliwia obecnie rozpropagowanie tego optymalnego rozwiązania, a tym samym popularyzację terapii optogenetycznych.

Możliwości sieci przeszkodą dla innowacji medycznych

Teoretycznie wszystko jest już na odpowiednim miejscu: opracowano techniki optogenetyczne i metody ich wdrażania, skonstruowano narzędzia niezbędne do przeprowadzania tego procesu, a nawet wymyślono nieinwazyjne sposoby konfiguracji oraz ładowania wykorzystywanych w tym celu implantów. Czy zostało coś więcej do zrobienia, aby z optogenetyki mogło korzystać szerokie grono odbiorców? Niestety tak, i nie jest to przeszkoda logistyczna czy finansowa. Problem stanowi obecna sieć bezprzewodowa.

Elementem niezbędnym do prowadzenia terapii optogenetycznych, z użyciem implantów zasilanych bezprzewodowo, jest stabilna sieć. Czynności związane z tą techniką muszą bowiem przebiegać w czasie rzeczywistym, a wszelkie opóźnienia, zakłócenia, czy ograniczenia związane z niedostateczną przepustowością przesyłu danych są w tym przypadku istotną przeszkodą. [7] Obecna sieć natomiast, w technologii 4G, nie jest w stanie zapewnić parametrów niezbędnych do skutecznego wspierania procesów optogenetycznych na tyle, aby mogły być one z powodzeniem rozpropagowane.

Jedynym rozwiązaniem, które umożliwiłoby szeroko zakrojoną pomoc osobom, w których przypadku terapia optogenetyczna byłaby zasadna, jest wprowadzenie nowej generacji sieci komórkowej, w postaci 5G. Pozwoli ona nie tylko na polepszenie wszystkich parametrów, związanych z dotychczasową transmisją bezprzewodową, ale zapewni także jej większą stabilizację (m.in. dzięki minimalnym opóźnieniom).

Dodatkowo, w dzisiejszych czasach praktycznie każdy nosi przy sobie urządzenia wykorzystujące bezprzewodowe sieci, a często jest też tak, że ma ich kilka naraz (np. smartfon, bezprzewodowe słuchawki i smartwatch). W tym natłoku może okazać się, iż ilość sprzętów na danym terenie jest tak znaczna, że osoba posiadająca implant optogenetyczny musiałaby liczyć się z jego zakłóceniami, wynikającymi ze zbyt dużego obciążenia sieci. W tym wypadku ponownie w sukurs przychodzi 5G, ponieważ umożliwi obsługę nawet do miliona urządzeń na jeden kilometr kwadratowy. To z kolei powinno dostatecznie zaspokoić zapotrzebowanie społeczne i jednocześnie pomóc sprawić, aby optogenetyka wyszła na tzw. ulice. [8]

Warto także dodać, iż implementacja kolejnej generacji sieci pozwoli pośrednio na dodatkowy rozwój wszelkich dziedzin nauki (i nie tylko). W jaki sposób? Choćby dzięki temu, że jej parametry pozwolą na rozpowszechnienie tzw. Big Data, czyli ogromnych baz danych, a także umożliwią szybszą i sprawniejszą analizę informacji w nich zawartych. Wspomoże to również przeprowadzanie dużej ilości skomplikowanych obliczeń bezpośrednio w chmurze. [9] To wszystko z kolei, pozwoli naukowcom na całym świecie na szybsze, sprawniejsze oraz skuteczniejsze opracowywanie nowych technik i narzędzi, o zwiększonym tempie poszerzania samej wiedzy nie wspominając. Tym samym, 5G wspomoże rozwój całej nauki, z nowatorską optogenetyką na czele.

Optogenetyka – metoda leczenia

Wiemy już czym jest optogenetyka i w jaki sposób działa, jednak do czego właściwie można ją wykorzystać? Jak już wspomniano, dziedzina ta wchodzi w skład neurologii, czyli jednej z nauk medycznych. Oczywiste jest więc, że głównym polem do popisu dla tej metody, jest medycyna właśnie. Jej możliwości nie są jednak tak oczywiste, jak mogłoby się wydawać.

Optogenetyka ma zaskakująco szeroki wachlarz zastosowania i może być z powodzeniem wykorzystywana m.in. w leczeniu choroby Alzheimera, Huntingtona [10] oraz Parkinsona, a także epilepsji i schizofrenii. Możliwość zastosowania tej metody w korze wzrokowej pozwoli wpłynąć również na metodologię leczenia zaburzeń wzroku, natomiast optogenetyka stosowana w obszarze hipokampa, przełoży się bezpośrednio na stymulację procesów kognitywnych i pamięciowych. Jakby tego było mało, terapia optogenetyczna z powodzeniem pomaga w leczeniu zburzeń na podłożu psychiatrycznym. Jak to możliwe? Otóż wspólną cechą tego typu przypadłości jest zaburzona komunikacja pomiędzy układami neuronalnymi. Jeśli jednak wdrożymy sukcesywną stymulację obszarów komórkowych związanych z poszczególnymi przypadłościami, to droga do ich terapii stoi otworem. Udowodniono już naukowo, że optogenetyka jest idealnym narzędziem do leczenia depresji, stanów lękowych, a nawet uzależnień.

Optogenetyka – narzędzie badawcze

Wspomniane powyżej możliwości potwierdzają, że optogenetyka jest obszarem, który zdecydowanie zasługuje na rozwijanie i bliższą uwagę. Jednak jej zastosowanie nie ogranicza się tylko do bezpośredniego leczenia, ale może posłużyć też w rozwoju neuronauki w ogóle. Okazało się bowiem, że jest to skuteczna metoda badawcza, umożliwiająca specjalistom znaczne poszerzenie dotychczasowej wiedzy na temat funkcjonowania ludzkiego (i nie tylko) mózgu. „Tym samym optogenetyka staje się nie tylko potężnym, ale przede wszystkim łatwo dostępnym narzędziem do badania plastyczności układu nerwowego i wpływania na aktywność całych struktur.” [11]

Obecnie główne obszary działań badawczych, związanych z optogenetyką, koncentrują się na rejonach neurologicznych odpowiadających za ból, a także wspomniany już wcześniej – strach. „Poznanie podłoża neuronalnego różnych zachowań umożliwi lepsze leczenie chorób lub zaburzeń, w których te zachowania są zmienione”. Technologia ta, może więc już wkrótce zaowocować m.in. opracowaniem nowego modelu badania neurofizjologicznych podstaw bólu, czy nawet manipulacją wywoływania i zahamowywania reakcji lękowych. W dalszej perspektywie natomiast, możliwości wykorzystania optogenetyki są niemal nieograniczone, tak jak teoretyczny potencjał naszego mózgu. [11]

Optogenetyka, choć jest młodą techniką, ma ogromny potencjał i możliwości obejmujące m.in. znacznie wsparcie działań badawczych dotyczących ludzkiego mózgu. Co więcej, opracowane i już gotowe do implementacji terapie optogenetyczne mogą pomóc osobom na całym świecie, które borykają się zarówno z problemami natury psychologicznej (np. depresja czy stany lękowe), jak i z innymi poważnymi chorobami, których efekty przy dzisiejszych możliwościach są jedynie łagodzone (np. choroba Parkinsona). Wielu ludzi może więc skorzystać na nowych metodach opartych na optogenetyce, a dzisiejsza wiedza może się dzięki nim znacznie poszerzyć. Aby to osiągnąć wystarczy, iż obecna sieć bezprzewodowej transmisji danych przejdzie swoją naturalną oraz długo wyczekiwaną ewolucję z 4G w 5G. Teoretycznie to niewiele, a zmienić może wszystko, a przynajmniej w przypadku optogenetyki.