文 / You-Hsing Sung
曾经好奇植物没有眼睛，如何设法让自己向着太阳，以利光合作用的进行吗？其实植物叶子细胞中存在着对光线敏感的色素蛋白，好比人类视网膜上的感光细胞，当感知光的来源会改变其蛋白质结构，而传递讯息给植物改变其生长方向。而科学家在藻类的“眼点”中发现了一种感光蛋白：第二型光敏离子通道视蛋白（Channelrhodopsin-2, ChR2），科学家们突发奇想，如果将其弥补人类视网膜感光蛋白异常的病患的视蛋白，会不会可以恢复他们的视力？！
光遗传学（Optogenetics）是当前神经科学领域最先进的技之一，利用基因学的方法在大脑中安装一个光控制的开关；借由特定波长的光调节，大脑中欲调节的机制开关就能打开，犹如红外线遥控器控制电视的开关。这种有趣的光空机制即是一种天然海藻感光离子通道蛋白 ChR2，蓝光可以诱发此通道让阳离子流进细胞内，导致神经冲动。许多创新的发明一开始都不被大众所接纳；从 2005 年的默默无闻，到 2010 年被 Nature Method 选为年度突破方法；光遗传学之父 Karl Deisseroth 使用病毒基因载体感染宿主，导入光调控性的 ChR2 基因于特定于老鼠海马回的细胞株中，成功地利用蓝光激活此神经细胞的活性，控制动作电位与突触传导的兴奋与抑制，这是第一个光遗传学技术利用于哺乳类细胞的例子。然而，早在 2005 年，这种突破性的想法却被“无未来实际应用性”的原因接连被顶尖期刊拒稿，却在发表后却引起神经学界的一波跟随。
由大脑至目标全身 从模式到进行临床
近年来，光遗传学应用最著名的例子莫过于 2012 年 Karl 与诺贝尔得奖主 Tonegawa Susumu 的合作结果，在小鼠海马回注射装有 ChR2 的载体并连接光纤至此脑区。接受刺激训练后，小鼠海马回内的特定细胞（后命名为记忆痕迹细胞，engram cell）会被活化并表现 ChR2；有趣的是，小鼠在接受蓝光之后表现出他们“记得”训练反应的行为。结果证明了记忆的储存是由神经细胞间建立新的连结所形成的，而回想这些回忆需要强化这些连结神经，但脑部的受伤或老化便会阻塞这些连结而影响记忆的提取；然而，这些无法读取的记忆痕迹仍然保留在失忆的大脑里，通过刺激与活化相关的细胞信号通路便可疏通这些遗忘的记忆
而 10 年后，光遗传学已不仅适用于结合核磁共振（functional magnetic resonance imaging, fMRI）了解神经活动模式及讯息形成而绘成大脑图谱，其技术的应用逐渐在其他领域探索人体的奥秘：今年 3 月，美国 Tufts 大学的研究团队首次将此技术应用于癌症，他们在模式蛙胚胎转殖 Ras 癌基因与可被蓝光诱发的正电离子通道蛋白，当接受蓝光刺激后，可使得去极化状态的肿瘤细胞因正电荷离子通道的开启而回复到健康细胞的负极化的状态，降低了肿瘤的形成。
虽然光遗传学技术在实验室里掀起一波热潮，但是需要在小鼠或模式动物体内植入侵入性光纤，这一点严重限制了这项技术的临床应用。然而，美国的私人生医研创公司 RetroSense Therapeutics 率先将这一革命性的技术带到了临床医学，RetroSense 也于今年《MIT 科技评论》获评为年度“最聪明”的创意性公司之一。眼睛是实行光遗传学的理想标靶，因为眼睛对光线极具敏锐，且视网膜直接暴露外在光线，不需要额外的光纤或手术实行，更重要的是，免疫细胞无法进入眼部攻击基因转移的外源性蛋白。
光遗传学治疗步入临床 失明患者可望一线曙光
光遗传学治疗史上的第一位病人：今年二月底，一名因为色素性视网膜炎（retinintis pigmentosa, RP）而失明的患者接受了 RetroSense 的治疗。色素性视网膜炎是一个遗传倾向的慢性疾病，患者由于视网膜上的感光细胞，包括视锥与视杆细胞逐渐死亡，故眼睛无法将信号通过神经传递给大脑；全球约略 1/10的盲人是因为此疾病而失明，而且目前没有任何治疗办法。RetroSense 研发的光遗传的基因治疗 RST-001 是通过赋予视网膜神经节细胞适量的光敏感性来弥补光感受器的缺失，患者将被感染携带 ChR2 基因的病毒，使神经节细胞变成感光细胞，而当蓝光照色刺激后将视觉讯息传送至大脑。
然而，已知藻蛋白对光的敏感度只有视锥细胞的千分之一，而且视网膜的复杂网络来自多种光敏视细胞的讯号，而不只仰赖单一藻类ChR2的“初始信号”，此外，ChR2 仅对蓝光敏感，意味着 RST-001 疗法成功的患者也仅能够看到蓝色的事物。倘若 RetroSense 的试验结果顺利，接下来的研究将会是如何提升 ChR2 恢复人类视力的程度了。
目前产学各界除了尝试将光敏蛋白转殖与表达在各种模式体，广泛应用于各类可被激活或抑制的细胞活性异常疾病，同时开发各类适合的光敏蛋白，及其对特定生物功能和行为的影响。另一项极具潜力的临床应用也正如火如荼的进行中，反项于激发神经的视网膜疗法，Karl 协办的加州的新兴生医公司 Circuit Therapeutics 仰赖于光可出透皮肤的能力，欲利用光敏蛋白来抑制神经元活性，通过抑制疼痛讯号传送到大脑以达到止痛的效果。此外，为了可以独立于光纤，科学家尝试开发规模小且独立发光的移植物质；光遗传学的终极目标是可以通过特殊系统来侦测出病发产生的异常神经讯号，并且可以自行诱发光源进而修补异常讯号而抑制发病的症状。
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参考文献
1. Light-controlled genes and neurons poised for clinical trials, Nature News, May 19 2016
2. RetroSense therapeutics doses first patient in phase I/II clinical trial for lead compound RST-001, Business Wire, March 21, 2016
3. Brook T. et al, Use of genetically encoded, light-gated ion translators to control tumorigenesis (2016) Oncotarget. 7:15, 19575-19588
4. Tomas J. R. et al, Engram cells retain memory under retrograde amnesia (2015) Science. 348:6238, 1007-1013
5. 50 smartest companies 2016, MIT technology review.
