08.03.2017

Laser und LED steuern Zellfunktionen

Mit gentechnischen Methoden eingebrachte fotosensitive Proteine machen auch Muskeln per Licht steuerbar. Experimente der Stanford University zeigen, dass Optogenetik Potential für die Behandlung von Schmerzpatienten bietet.

Die Optogenetik schleust fotosensitive Proteine in lebende Zellen ein. Über diese lassen sich per Laser oder LED die Zellfunktionen steuern. Das eröffnet völlig neue Forschungs- und Therapieansätze.

Nervenaktivitäten sind winzige elektrische Impulse. Deren Steuerung erfolgt über Proteine in der Zellmembran. Zur Aktivierung lassen sie positiv geladene Ionen in Neuronen strömen. Im Ruhezustand hemmen die Proteine den Ionenfluss. Optogenetiker haben es geschafft, in diesem Prozess das Zepter zu übernehmen: Sie schleusen mit gentechnischen Methoden fotosensitive Proteine in die Zellmembranen lebender Zellen ein. Diese werden dort, ohne Schaden anzurichten, vermehrt. In der Folge können die Forscher die Funktionen der manipulierten Zellen mit Licht aus LEDs oder Lasern steuern.

Anders als in der Aktivierung mit Mikroelektroden erreicht das optische Verfahren einzelne, spezifische Zellen. Harmlose Viren oder Plasmide (DNA-Moleküle von Bakterien) transportieren dafür lichtempfindliche Proteine in die Zellen. Begonnen hat alles mit Channelrhodopsin-2 aus Zellmembranen von Grünalgen. Bei Aktivierung mit blauem Licht lässt es Ionen in jene Zellen strömen, in denen Forscher es ansiedeln. Bald darauf fand sich in der Natur auch ein Ausschalter: Halorhodopsin, das unter Einfluss von gelbem Licht den Ionenfluss hemmt.

Grundlagenforschung – und neue Hoffnung im Kampf gegen Epilepsie und Parkinson

Mittlerweile wächst die Vielfalt fotosensitiver Proteine, die sich meist in Algen, Getreide und Bakterien finden. Dadurch ergeben sich neue Anwendungsfelder der Optogenetik. Wissenschaftler erkunden Gehirnfunktionen, die präzisen Abläufe in Nerven- und Muskelzellen oder auch der Mechanik hinter Mutationen von Tumorzellen, indem sie diese mit den natürlichen „Lichtschaltern“ manipulieren. Dank der Schaltbarkeit können sie exakt und systematisch klären, wie Zellen spezifische Funktionen ausführen, wie es zu Fehlfunktionen kommt und welche Gehirnzellen an welchen Entscheidungsprozessen beteiligt sind.

Die Verbindung aus Photonik und Genetik revolutioniert nicht nur die Grundlagenforschung. Sie weckt auch Hoffnungen bei Patienten. So erlangten blinde Mäuse ihre Lichtempfindlichkeit zurück, nachdem Forscher die fotosensitiven Proteine in ihre Netzhäute einschleusten. Künftig könnte das auch Menschen mit Sehstörungen helfen. Die exakte optogenetische Methodik könnte zur alternativen Option für die Tiefenhirnstimulation bei Parkinson-Patienten reifen, Epilepsien unterdrücken, Nerven in gelähmten Körperteilen aktivieren oder neuen Behandlungsstrategien gegen Krebs den Weg ebnen.

Vielfalt schaltbarer Proteine verlangt nach flexiblen Lichtquellen

Mit der Auswahl und stetigen Optimierung der fotosensitiven Proteine steigt auch der Bedarf an flexiblen Lichtquellen. In der einfachen (Stereo-)Mikroskopie sind in erster Linie multispektrale LEDs gefragt. Denn sie lassen sich schnell schalten und mithilfe von Linsen exakt auf die Zellen von Interesse richten. Zudem überzeugen sie durch geringe Platzbedarf, wenig Abwärme und hohe Lebensdauer.

Dagegen setzt die konfokale Mikroskopie eher auf Laser. Ihre hohe Leuchtdichte und gute Fokussierbarkeit bietet hier wichtige Vorteile. Aktuelle Veröffentlichungen von Coherent beschreiben präzise, 3D-aufgelöste optogenetische Experimente in tiefen Gewebeschichten. Sie gelingen durch Mehrphotonenanregung mithilfe eines ultrakurz gepulsten Nah-Infrarotlasers (1.040 – 1.150 nm Wellenlänge). Dagegen verweisen Experten von Leica Microsystems in Veröffentlichungen auf die Flexibilität der Weißlichtlaser-(WLL)-Technologie. Infrarotlaser in Verbindung mit PCF (Photonic Crystal Fibers) und akusto-optischen Filtern seien in der Lage, jede beliebige Farbe des sichtbaren Spektrums zu erzeugen. Die Auswahl lasse sich binnen Mikrosekunden umschalten. Auch Alternativen zur heutigen Stimulation tiefer Hirnregionen mit nadelförmigen Elektroden hat die Photonik zu bieten: LED- oder lasergespeiste Fasern könnten diese Aufgabe im Zusammenspiel mit fotosensitiven Proteinen sehr viel schonender und präziser ausführen.

 
 
 
 
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