El estudio, publicado en la revista Nature Medicine, marca el primer uso de una tecnología emergente conocida como optogenética para controlar los movimientos musculares. Desarrollada por el coautor del estudio Karl Deisseroth, profesor adjunto de bioingeniería y de psiquiatría y ciencias del comportamiento de la Universidad de Stanford, la optogenética permite estimular las neuronas con luz mediante la inserción del gen de una proteína llamada canalrodopsina-2, originaria de un alga verde. Cuando una neurona modificada es expuesta a luz azul, la proteína inicia la actividad eléctrica dentro de esta célula y luego esta actividad se transmite de una neurona a otra. Al controlar qué neuronas sintetizan la proteína, así como qué células son expuestas a la luz, los científicos pueden controlar la actividad neuronal en animales vivos con una precisión sin precedentes. El otro autor senior del artículo, Scott Delp, profesor de bioingeniería, ingeniería mecánica, y de cirugía ortopédica de Stanford, afirma que el método de control óptico proporciona "ventajas fantásticas en comparación con la estimulación eléctrica" para el estudio de los músculos y la biomecánica del movimiento humano.
Los miembros del laboratorio de Deisseroth ya habían modificado unos ratones para que produjeran canalrodopsina-2, tanto en el sistema nervioso central como en el periférico. Michael Llewellyn, un ex estudiante de graduado del laboratorio de Delp, desarrolló un pequeño manguito de LEDs implantable para aplicar la luz de forma uniforme en todo el nervio. Él colocó el brazalete en el nervio ciático de ratones anestesiados y provocó pulsos de milisegundos de luz. Esto hizo que los músculos de la pata de los ratones se contrajeran. Cuando Llewellyn comparó las contracciones del músculo estimulado por luz a las generados utilizando un manguito eléctrico similar, encontró que las contracciones provocadas por la luz eran mucho más similares a la actividad muscular normal.
Los músculos se componen de dos fibras diferentes: unas fibras pequeñas, lentas y resistentes a la fatiga que se suelen utilizar para las tareas que requieren un control motor fino durante períodos de tiempo más largos y otras fibras más grandes y rápidas que pueden producir fuerzas superiores, pero son más propensas a la fatiga. En el cuerpo, las fibras lentas y pequeñas se activan en primer lugar, reservando las fibras grandes y rápidas para impulsos de fuerza o de velocidad. Cuando los músculos se estimulan con impulsos eléctricos, las fibras rápidas se activan primero. Con el interruptor optogenético, sin embargo, las fibras se activaron en el orden fisiológico normal: en primer lugar las fibras lentas, en segundo lugar las fibras rápidas. Al alterar la intensidad de la luz, Llewellyn encontró que incluso podía conseguir activar exclusivamente las fibras lentas--un hecho que no es posible mediante la estimulación eléctrica.
A corto plazo, Delp indica que la tecnología mejorará los estudios que su laboratorio y otros realizan sobre la actividad muscular en modelos animales de ictus, parálisis, esclerosis lateral amiotrófica, y otros trasto os neuromusculares. También espera que con el tiempo--mucho tiempo, reconoce--unos interruptores ópticos de este tipo se podrían utilizar para ayudar a los pacientes con discapacidades físicas causadas por lesiones en los nervios, como un accidente cerebrovascular, una lesión de la médula espinal, o una parálisis cerebral. Una posibilidad, señala él, sería el uso de la estimulación óptica en lugar de la estimulación eléctrica funcional (FES, por sus siglas en inglés), en la cual se aplica una corriente eléctrica a unos nervios o músculos específicos para desencadenar las contracciones musculares deseadas. La Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. ya ha aprobado unos dispositivos de FES que pueden restaurar la función de control de las manos y de la vejiga de algunas personas con parálisis. Sin embargo, la FES puede provocar rápidamente fatiga muscular. Delp confía que, sobre todo en las funciones relacionadas con el tacto, la estimulación óptica podría ofrecer una mejor resistencia a la fatiga y posiblemente un control más preciso del músculo.
"Este es un estudio brillante, ciencia realmente hermosa", afirma Robert Kirsch, bioingeniero de la Universidad Case Weste Reserve y director asociado del Centro Cleveland de Estimulación Eléctrica Funcional, quien no estuvo involucrado en la investigación. "Creo que hay muchas [implicaciones clínicas]", coincide él, aunque, al igual que Delp y Llewellyn, señala que aún quedan muchos obstáculos por resolver--siendo el desarrollo de una manera segura y eficaz de administrar el gen de la canalrodopsina-2 gen a las células nerviosas en los seres humanos uno de los más importantes. De otra forma, Kirsch afirma, "mi única objeción sería su implicación de que han resuelto el problema de la fatiga con la FES. Estoy bastante seguro de que esto no ha sucedido." Kirsch cree que la mayor causa de fatiga en los pacientes de FES se debe a la atrofia y la debilidad muscular que se produce como consecuencia de la parálisis crónica.
C.J. Heckman, profesor de fisiología de la Escuela de Medicina de la Universidad Northweste , está de acuerdo con él: "Es cierto que gran parte de la fatiga en pacientes de FES se debe a la atrofia muscular crónica." Sin embargo, añade él, "si se pudieran estimular los músculos en el orden de activación correcto repetidamente en un período de tiempo, se podría recuperar gran parte de la función muscular." Esto podría ayudar a los pacientes de parálisis a preservar sus fibras musculares lentas", lo que representaría una gran mejora", afirma Heckman. Esto se debe a que estas fibras realizan un gran porcentaje del trabajo que los músculos llevan a cabo--todo, desde el mantenimiento de la postura hasta escribir con un teclado.
Delp también piensa que el ejercicio basado en la estimulación podría ser una aplicación importante del control óptico de los músculos, puesto que podría ayudar a las personas en silla de ruedas a ponerse de pie para llegar a los libros o a los platos de una estantería. "Yo no creo mucho en el control de la locomoción"--es decir, del caminar--"ni mediante la estimulación eléctrica ni mediante la óptica" comenta Delp. "Se trata de un esquema de mando y control increíblemente complicado y que es muy difícil de coordinar."
Mientras tanto, Delp y Llewellyn han comenzado un esfuerzo para utilizar otra proteína sensible a la luz, la halorhodopsina, para inhibir los nervios motores en ratones, con la idea de tratar e incluso curar la espasticidad muscular, un efecto secundario grave común en las lesiones de cerebro o columna. Los tratamientos actuales están lejos de ser ideales; los médicos pueden inyectar toxina botulínica en los músculos afectados cada pocos meses para paralizarlos, el uso de medicamentos orales como el Valium que afectan a todo el cuerpo en lugar de sólo al músculo afectado, o, en los casos más graves, el corte de los nervios o tendones de los músculos espásticos---un tratamiento permanente que deja al paciente sin ningún control sobre ese músculo. Delp confía que la ingeniería genética de los nervios con halorhodopsina permita a las personas utilizar luz para relajar de forma reversible los músculos afectados con espasticidad.
"Creo que ésta es una gran idea para el tratamiento de la espasticidad", comenta Jerry Silver, neurocientífico de la Case Weste . Sin embargo, podría encontrarse con algunas dificultades en el camino. Junto con unos colegas de Case, Silver ha fundado una empresa llamada LucCell para desarrollar aplicaciones clínicas de la optogenética. En un proyecto de la empresa, los científicos están tratando de usar la halorhodopsina y otras opsinas inhibidoras en modelos animales para relajar el músculo que controla el esfínter de la vejiga, su objetivo final es restaurar la función de la vejiga a personas afectadas de parálisis. A pesar de que han visto algunos cambios fisiológicos en la forma en que el músculo del esfínter se comporta, no han sido capaces de conseguir que se relaje lo suficiente. "Estamos aprendiendo que es más fácil activar las cosas que apagarlas," destaca él. Sin embargo, el equipo insiste buscando mejores formas de administrar el gen a las células nerviosas y la manera de aumentar la producción de la proteína en la superficie de la célula.
"Todo depende de la capacidad de obtener el transgén en el lugar correcto del genoma de la persona sin causar problemas", coincide Llewellyn. "Éste es el obstáculo principal."