Powered by

Fernziel Netzhaut-Regeneration

Mit optogenetischen Methoden könnte die Funktion von Photorezeptoren und anderen Zelltypen in der Retina wiederhergestellt werden, wenn diese krankheitsbedingt geschädigt sind. Die Grundlagen dafür erforscht ein Team des Exzellenzclusters CIN an der Universität Tübingen.

Erblindungskrankheiten wie die Retinitis pigmentosa gehen mit einem schleichenden Zelltod der Photorezeptoren in der Netzhaut (Retina) einher. Nach und nach wird das Sehvermögen schlechter, zuerst sterben die für das Schwarz-Weiß-Sehen verantwortlichen Stäbchen ab, was zu Nachtblindheit führt. Schließlich sterben auch die für das Farbsehen verantwortlichen Zapfen ab. Wenn wie bei diesem Krankheitsbild zwischen den ersten Symptomen und der vollständigen Erblindung Jahre bis Jahrzehnte liegen, gibt das den Ärzten einen gewissen zeitlichen Handlungsspielraum, um therapeutisch einzugreifen.

Eine interessante Zukunftsoption dafür bietet die Optogenetik. Prinzipiell geht es darum, Gene für lichtempfindliche Proteine in diejenigen Photorezeptoren einzubringen, die zwar noch nicht vollständig abgestorben, aber bereits funktionslos sind. Durch diese Proteine soll das Sehvermögen wiederhergestellt werden. Wie und mit welcher Effektivität dies getan werden könnte, erforscht das Team um Dr. Thomas Münch am CIN, dem Werner Reichardt Centrum für Integrative Neurowissenschaften an der Universität Tübingen.

Kanalrhodopsin ersetzt Sehpigmente

Dr. Thomas Münch forscht am Exzellenzcluster CIN der Universität Tübingen. Ziel des CIN ist es, zu einem tieferen Verständnis von Hirnleistungen beizutragen und zu klären, wie Erkrankungen diese Leistungen beeinträchtigen. © CIN, Universität Tübingen

„Bei unserem Ansatz spielt es keine Rolle, welche Mutation hinter der Erkrankung steckt“, erklärt Münch. Er und seine Mitarbeiter wollen ein Optogen mithilfe eines gängigen Virusshuttle-Systems in funktionslose Zellen der Retina einschleusen. Dieses Gen enthält die Information, die zur Produktion von neuem Kanal-Rhodopsin benötigt wird. Kanal-Rhodopsine sind mit unseren natürlichen „Sehpigmenten“ verwandt. Das Protein wird in die Zellmembran eingebaut, wo es einen Kanal bildet, durch den Ionenströme fließen können. Der Offenheitszustand des Kanalproteins ist lichtabhängig: Trifft ein Lichtteilchen, also ein Photon, auf die Membran der Zellen, ändert das Kanal-Rhodopsin-Molekül seine Gestalt, wodurch der Kanal geöffnet wird. Ionen können hindurch strömen und über eine Reihe nachfolgender Reaktionen ein elektrisches Signal auslösen, das ins Sehzentrum des Gehirns weitergeleitet wird und dort einen Seheindruck vermittelt.

Als mögliche Zielzellen für den optogenetischen Eingriff kommen jedoch nicht nur die Photorezeptoren infrage. Auch in die nachgeschalteten Zellen in der Netzhaut, vor allem die Bipolarzellen, könnten Optogene eingeschleust werden, um die Sehfähigkeit zu regenerieren. Dies wäre dann sinnvoll, wenn bei Patienten in einem relativ späten Krankheitsstadium alle Stäbchen und Zapfen bereits abgestorben sind. Am Mausmodell hat Münchs Team bereits untersucht, wie sich dann die Signalverarbeitung ändert. „Wenn die Bipolarzellen auf diese Weise in einer ansonsten blinden Netzhaut aktiviert werden, sehen wir eine vergleichbare Signalverarbeitung wie bei einer natürlichen Lichtantwort“, so Münch zu den bisherigen Erkenntnissen. Aus seiner Sicht könnte es sogar sinnvoll sein, Optogene in die Ganglienzellen einzuschleusen, die in der Reaktionskette noch weiter hinten liegen und die Weiterleitung des Signals in Richtung Sehzentrum veranlassen.

Signalentstehung und -verarbeitung in der Retina lückenlos aufklären

Normale oder optogenetisch behandelte Netzhaut kann mithilfe solcher Multielekroden-Arrays elektrophysiologisch untersucht werden. © Thomas Münch, CIN, Universität Tübingen

Wie die Signalentstehung und -weiterleitung in der Netzhaut beim Sehen genau verlaufen, ist eine der Fragestellungen, die in Münchs Gruppe erforscht wird. Dazu sind längst noch nicht alle Details bekannt. „Es geht uns zum einen darum, das Basiswissen über die Funktion der menschlichen Retina zu erweitern. Dazu arbeiten wir vorwiegend mit elektrophysiologischen Methoden, bei denen wir Multi-Elektrodenarrays einsetzen“, so Münch. Mit solchen MEAs können die elektrischen Signale von lebenden Zellen auf Gewebe- und sogar auf Einzelzellniveau analysiert werden. Dafür benötigen die Forscher eine geeignete Gewebekultur.

„Wir haben eine Methode entwickelt, um menschliches Retina-Gewebe solange es geht in gesundem Zustand funktionsfähig zu halten. Das gelingt uns inzwischen über einen Zeitraum von mehreren Tagen“, sagt Münch. Das Gewebe stammt von Tumorpatienten, denen ein Auge entfernt werden muss, weil hier Metastasen auftreten könnten. „Die Spenderbereitschaft ist hoch, aber da das natürlich nicht so häufig vorkommt, erhalten wir ungefähr einmal im Monat Netzhautgewebe von der Tübinger Augenklinik, mit der wir kooperieren“, so der Forschungsleiter. Für die Entwicklung der Verfahren, in vitro mit humaner Netzhaut zu arbeiten, hat Katja Reinhard, Doktorandin in Münchs Gruppe, aktuell im November 2013 den LUSH Preis für Ersatzverfahren zu Tierversuchen in der Kategorie „Junge Forscher“ erhalten, der mit 12.500 englischen Pfund dotiert ist. Dieses Geld fließt nun in die methodische Weiterentwicklung.

Die Eigenschaften des Optogens können verbessert werden

Das Sehen funktioniert über einen großen Helligkeitsbereich hinweg, vom schummrigen Sternenlicht bis zu gleißendem Sonnenschein. Rechts ein Querschnitt durch die Netzhaut. Unterschiedliche Zelltypen sind unterschiedlich angefärbt. © Mondbild von John French, Abrams Planetarium. Netzhautbild von Hartwig Seitter, AG Münch, Universität Tübingen

Ergänzend zu solchen experimentellen Studien führt Münchs Gruppe theoretische Studien durch: „Wir untersuchen im Computermodell, wie wir im Rahmen der biophysikalischen Möglichkeiten die Moleküleigenschaften des Rhodopsins so verändern können, dass sich die Lichtsensitivität erhöht“, sagt Münch. In einer soeben im Fachjournal PLOS ONE veröffentlichten Arbeit zeigen Münch und die Masterstudentin Marion Mutter, dass sich der Empfindlichkeitsbereich des optogenetischen Sehens durch Änderung bestimmter Moleküleigenschaften theoretisch um zwei Größenordnungen erweitern lässt. In weiteren Schritten muss nun erforscht werden, wie die Sequenz des Optogens geändert werden muss, um diese Verbesserung tatsächlich zu erhalten. Wobei Münch gleich einschränkt, dass zwei Größenordnungen mehr Empfindlichkeit zwar gut sind, jedoch relativ betrachtet werden müssen: „Das normale menschliche Sehen erfolgt über etwa zehn Größenordnungen Helligkeit, und das gesunde Auge schafft es spielend, seine Empfindlichkeit entsprechend zu ändern.“

„Wir wissen, dass die Lichtempfindlichkeit des behandelten Gewebes bei einer langanhaltenden Konformationsänderung des Kanalproteins deutlich höher ist. Es kommt dann zu einem erhöhten Ionenstrom“, erklärt Münch. Wenn die Kanäle jedoch zu lange offen sind, findet als Antwort auf Lichtzu- oder abschaltung keine Modulation mehr statt, was auch wieder schlecht ist. „Es geht darum, bei der Konformationsänderung eine Balance zu finden zwischen langsam genug und schnell genug innerhalb der Zeitkonstante, in der Sehen stattfindet. In unserem Computermodell stellen wir die einzelnen Schritte während der Konformationsänderung mithilfe von Differenzialgleichungen dar. Wir ändern die Parameter in den Gleichungen und untersuchen dann zunächst in der Simulation, ob sich das Molekül biologisch entsprechend ändern lässt“, so Münch weiter. Anschließend müssen die Vorhersagen experimentell verifiziert werden. Bis ein entsprechend verändertes Optogen tatsächlich medizinisch eingesetzt werden könnte, ist es auf jeden Fall noch ein weiter Weg.

Glossar

  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Metastasen sind Zellen, die sich vom Primärtumor abgelöst haben und weiterwachsen. Diese Tochtergeschwulst kann weit entfernt vom Primärtumor und in völlig anderem Gewebe entstehen.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Die Neurowissenschaften sind ein Sammelbegriff für Disziplinen der Biologie, Psychologie und Medizin, die sich mit dem Aufbau und der Funktionsweise von Nervensystemen befassen und die Störungen und Krankheiten dieser Systeme untersuchen.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Ein Mikroelektroden-Array (MEA) ist ein spezieller Chip, der eine Vielzahl von Elektroden enthält und dessen Oberfläsche chemisch so beschaffen ist, dass Nervenzellen an definierten Stellen dort anwachsen können. So ist es möglich, ein geordnetes Netzwerk von Nervenzellen zu erschaffen, das durch die Elektroden elektrisch stimuliert wird und so als Modell für Vorgänge im Gehirn verwendet werden kann.
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/fernziel-netzhaut-regeneration/