História do Chemogenetics

Broadband têm estado na vanguarda da chemogenetic técnicas, com o primeiro documento descrevendo Broadband que responda apenas aos ligantes sintéticos, publicado em 1998. Estes receptores, chamados receptores activados exclusivamente por um ligante Sintético (RASSL), foram usados com sucesso in vivo para permitir o controlo da actividade cardíaca. No entanto, seu uso na neurociência é prejudicado pela atividade farmacológica dos ligantes in vivo, e a atividade endógena e constitutiva dos receptores projetados na ausência de seu ligante específico.

Mais recentemente, foram desenvolvidos receptores de design activados por drogas de design (DREADD). Os primeiros foram receptores muscarínicos da acetilcolina humana mutados activados unicamente por ligantes inertes. Múltiplas rondas de mutagénese e rastreio de ligantes identificaram receptores muscarínicos acoplados à via de sinalização intracelular Gq que responderam ao N-óxido da clozapina (CNO, Cat. No. 4936). Todos os três Rastas acopladas Gq (hM1Dq, hM3Dq e hM5Dq) ativam a atividade neuronal em resposta à ligação de um ligando DREADD. A mesma pesquisa identificou os dreads inibitórios, hM2Di e hM4Di, que inibem a atividade neuronal em resposta à ligação do ligando DREADD. Um Dread inibitório chamado KORD, também foi desenvolvido a partir do receptor κ-opióide, que inibe a actividade neuronal em resposta à salvinorina B (SalB, Cat. No. 5611).

O intervalo de chemogenetic ferramentas disponíveis para os pesquisadores foi recentemente ampliado com o desenvolvimento da quimérica de canais de íons, denominado Farmacologicamente Seletiva Módulos do Atuador (PSAMs), que são seletivamente vinculado por compostos denominado Farmacologicamente Seletiva de Moléculas Efetoras (PSEMs). Quimogenética vs Optogenética experiências Quimiogenéticas requerem a introdução de receptores ou canais iónicos geneticamente modificados em áreas cerebrais específicas, através de sistemas de expressão vírica do vector. A expressão In vivo de um receptor quimiogenético pode ser alcançada usando um vírus adeno-associado (AAV) codificando o DREADD ou PSAM, que é então injetado na região do cérebro. O tipo de célula em que o receptor é expresso pode ser controlado utilizando promotores genéticos específicos do tipo celular. Por exemplo, DREADD viral constrói com um promotor Camkia irá conduzir a expressão DREADD em neurônios, enquanto uma construção DREADD viral com um promotor GFAP irá conduzir a expressão DREADD em glia.

uma técnica similar para a modulação da atividade neuronal é a optogenética, que requer a expressão de um canal de íon sensível à luz, ao invés de um canal de íon ligado ou GPCR. Em técnicas optogenéticas, ativação ou inibição da atividade neuronal é iniciada por fibras ópticas implantadas, ao invés de pequenas moléculas. As principais características da Optogenética e da quimogenética são resumidas no quadro seguinte.

Características	Chemogenetics	Optogenetics
Método de intervenção	Inerte, pequena molécula de ligantes seletivos para geneticamente receptores/canais de íons	sensível à Luz canais iônicos ativados por implantado fibra ótica
É a intervenção ‘fisiológica’?	Sim – usa conservada, vias de sinalização intracelular, ou mudança de canal de iões de condutância, para alterar a actividade neuronal	Não – padrões de excitação/inibição são artificialmente sincronizado com a luz de estimulação padrão
É a intervenção inerte?	Sim – receptores/canais de íons falta de atividade farmacológica, sem ligantes e ligandos são farmacologicamente inerte, sem específicos de engenharia de receptores/canais de íons	Não – fibra óptica fonte de luz pode criar calor e bactérias sensíveis à luz canais podem ser antigênicas
este método É invasivo na vivo?a perfusão intracerebral, a injecção intraperitoneal ou a água de beber, dependem de um ligante específico, sim, intrinsecamente invasivo devido à implantação de fibras ópticas, é necessário equipamento especializado?	Não	Sim – requer implantáveis de fibra óptica como fonte de luz

em Destaque Publicações Utilizando Tocris DREADD Ligandos & PSEMs

Badimon et al (2020) feedback Negativo de controlo da actividade neuronal pela microglia. Nature 586, 417. PMID: 32999463

François et al (2017) A Brainstem-Spinal Cord Inhibitory Circuit for Mechanical Pain Modulation by GABA and Enkephalins. Neuron 93, 822. PMID: 28162807

Leroy et al (2018) a circuit from hippocampal CA2 to lateral septum disinhibits social aggression. Nature 564, 213. PMID: 30518859

Nam et al (2019) Activation of Astrocytic μ-opioide Receptor Causes Condicioned Place Preference. REP 28, 1154. PMID: 31365861

Pina et al (2020) o receptor opióide kappa modula a excitabilidade dos neurónios GABA e a transmissão sináptica nas projecções do córtex insular do mesencéfalo. Neurofarmacologia 165, 107831. PMID: 31870854

Campbell& Marchant (2018) The use of chemogenetics in behavioural neuroscience: receptors variants, targeting approaches and caveats. Br J Pharmacol 175, 994. PMID: 29338070

Coward et al (1998) Controlling signaling with a specifically designed Gi-coupled receptor. Proc Natl Acad Sci USA 95, 352. PMID: 9419379

Magnus et al (2011) Chemical and genetic engineering of selective ligand-ion channel interactions. Science 333, 1292. Pmid: 21885782

Roth (2016) DREADDs for Neuroscientists. Neuron 89, 683. PMID: 26889809

Sternson & Roth (2014) Chemogenetic tools to interrogate brain functions. Annu Rev Neurol 37, 387. PMID: 25002280