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Werkzeug der Zukunft

Mit Licht die Natur manipulieren - dies vermögen Wissenschaftler mit der neuen Methode der Optogenetik. Ob nun lichtsensitive Proteine an Enzyme gekoppelt sind oder Kanalrhodopsine in Membranen eingebaut werden, wo sie Ionenströme bewirken, überall dort, wo sie eingesetzt werden, können sie verändertes Zellverhalten auslösen. An der noch jungen Methode basteln und tüfteln Forschern weltweit, um sie zu verfeinern, umzugestalten, damit sie für ihre wissenschaftlichen Zwecke verwendbar ist. Die Optogenetik scheint ein beliebtes Spiel- und Werkzeug von Neurobiologen, Zellbiologen und Synthetischen Biologen zu sein. Prof. Dr. Ulrich Egert, Neurowissenschaftler und Inhaber des Lehrstuhls für Biomikrotechnik am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg, untersucht damit Interaktionen von Nervenzellnetzwerken und spricht von Goldgräberstimmung.

Die rasante Geschwindigkeit, in der eine Optogenetik-Publikation nach der anderen erscheint, ist laut Prof. Dr. Ulrich Egert an der Universität Freiburg unter anderem darauf zurückzuführen, dass bezüglich des Werkzeugs die Entdecker das Know-how sehr freigiebig weitergeben und so eine sehr schnelle Anwendung ermöglichen. „Jeder kann es ausprobieren und seine eigene wissenschaftliche Frage damit stellen“, sagt er, „es ist ein Werkzeug, das auch wir Neurobiologen sehr gut gebrauchen können.“ Mit einem lichtgesteuerten Kanal, der in der Zellmembran sitzt, lassen sich Ionenströme induzieren, die das Verhalten der Zelle ändern. Zwar hat es etwas gedauert, bis er und seine Arbeitsgruppe alle Schwierigkeiten im Griff hatten. Aber die Mühe hat sich gelohnt, denn die Vorteile der Optogenetik liegen auf der Hand. Mit elektrischer Stimulation kann beispielsweise in Nervenzellen nur Erregung erreicht werden, keine Hemmung oder Unterdrückung. „Mit optogenetischen Methoden baue ich ein lichtsensitives Kanalprotein in eine hemmende Zelle ein und aktiviere diese, dann habe ich am Schluss eine Hemmung“, erläutert Egert. Darüber hinaus lässt das Verfahren zu, nur ganz bestimmte Zellgruppen auszuwählen und zu beeinflussen. So kann der Effekt dieser Zellen, die bei speziellen Krankheitsbildern eine Rolle spielen, besser analysiert werden.

Transfektion mit Viren-Hilfe

Lichtsensitive Kanalproteine wie Channelrhodopsine (CHR2) können mit blauem Licht aktiviert werden und andere wie Natromonas pharaonis Halorhodopsin (NpHL) mit gelbem Licht. Die Nervenzelle wird entsprechend angeregt oder gehemmt. © Verändert nach Marina Corral, Nature Methods 8, 24-25 (2011)
Wie bekomme ich also ein solches Kanalrhodopsin (CHR2) in die fragliche Zelle? „Ich bringe die Zelle dazu, das Molekül selbst herzustellen“, schildert der Neurowissenschaftler, „das hat den Vorteil, dass die Expression dieser Protein-Gene und des optischen Sensors an die Expression eines anderen Moleküls gekoppelt werden kann.“ Das genetische Material dafür lässt sich wie mit einer Injektionsspritze per Viruspartikel in die Zelle schleusen, wobei dieser seines eigenen Erbguts beraubt wurde und mit neuer 'Nutzlast' geladen wurde. Die Zelle liest die Fremd-DNA ab, produziert das Protein und baut es in ihre Membran ein. Bei Beleuchtung reagieren lediglich die Zellen, die das Konstrukt in sich tragen. Eine Art Hintergrundrauschen gibt es dabei nicht, wie es bei extrazellulär aufgebrachten Fluoreszenzfarbstoffen bisweilen geschieht. Lichtsensitive Proteine, die sich für die Optogenetik eignen, sind einerseits Kanalbildner wie Channelrhodopsine und Halorhodopsin und andererseits Enzyme oder Signalmoleküle, die sich an andere Proteine koppeln lassen. Ebenso gibt es Chimären aus Kanal- und Signalmolekülen, wie etwa Melanopsin, das auch Egert für seine Forschung einsetzt. Er interessiert sich insbesondere für die Dynamik der Netzwerke von Nervenzellen im Gehirn. „Unser Gehirn ist kein Konglomerat aus einzelnen Nervenzellen, die allein vor sich hin wurschteln“, meint er, „sondern sie interagieren miteinander und dadurch entsteht dessen Leistung.“ Dabei stellen Egert und sein Team sich die Fragen, wie die Netzwerke genau miteinander interagieren und was geschieht, wenn sie auf Netzwerkebene eingreifen.

Kleiner sein

Egert möchte wissen: Was bedeutet die Interaktion zwischen den Subnetzen innerhalb der Netzwerke, wie kann ich sie erkennen und wovon hängt sie ab? „Wir haben keine guten Modelle dafür, wie die Interaktion eigentlich genau abläuft“, sagt der Neurobiologe, „da ist die Optogenetik ein prima Werkzeug“. Damit ließen sich bestimmte Neuronen in Subnetzen manipulieren, wobei Netzwerke im Gehirn typischerweise überlagert sind. „So kann ich den Beitrag von Unterpopulationen in neuronalen Netzen identifizieren, zu denen ich anders überhaupt keinen Zugang habe“, erklärt er, „und das geschieht auf physiologische Weise, denn wenn ich diese Zellen aktiviere oder ihre Aktivierung unterdrücke, sieht die nächste Zelle nicht, wie ich das gemacht habe.“

Egert verwendet für seine optogenetischen Untersuchungen Zellkulturen aus dem Neokortex von Mäusen. Auf dieser primitiven Ebene spielt die genaue komplexe Architektur, wie sie im Hirn ist, keine große Rolle. Allgemeine Parameter wie die Verbindungswahrscheinlichkeit und die Bündelung von Fasern lassen sich so einfacher betrachten. „Das Schöne am Kleiner-Sein ist: wir haben einen sehr guten Zugang für pharmakologische, elektrische und optische Stimulation und Beobachtung, wie wir sie im Tier nicht hätten“, betont Egert den Vorteil.

Epilepsie und Gliazellen

Durch genetische Manipulation produzieren Astrozyten einen Fluoreszenzfarbstoff. © Prof. Dr. Ulrich Egert, Universität Freiburg

Ein wissenschaftlicher Schwerpunkt von Egert und seinen Kollegen ist unter anderem, was bei Epilepsie auf neuronaler Ebene passiert. Im epileptischen Fokus sterben im Lauf der Zeit Unterpopulationen von Zellen ab, die sonst in größere Netzwerke eingebettet sind. Im Hippocampus des Gehirns gibt es solche Netzwerkschleifen, deren Interaktion bei Epilepsie gestört ist. Die Wissenschaftler versuchen zu verstehen, wie teilautonome Netzwerke funktionieren, die untereinander wiederum viele Verbindungen haben. Dabei ist Egert mit seinem Team auf die Gliazellen gestoßen, die nicht nur die Hülle um die Nervenfasern liefern, sondern ebenso überschüssige Neurotransmitter abfangen.

Parallel zu Neuronennetzwerken existieren Gliazellnetzwerke, die eine eigene Dynamik zu haben scheinen, welche sich mit optogenetischen Methoden erforschen lässt. Möglich ist, dass die Gliazellen die sehr viel schnelleren Nervenzellen in ihrer Aktivität dämpfen und so eine Art Regulativstation bieten, die bei der Epilepsie zusammenbricht. „Wir haben durch die Optogenetik die Möglichkeit, Gene als Schalter zu verwenden, die nur in bestimmten Gliazellen, den Astrozyten, abgelesen werden“, so Egert, „damit manipuliere ich deren Funktion, was zu erheblichen Veränderungen in der Netzwerkaktivität führt.“

Schwächen und Hoffnung der Optogenetik

Jedes Werkzeug hat seine Tücken. Will man mit optogenetischen Tools arbeiten, darf es keine Interferenz mit anderen lichtabhängigen Prozessen geben. Gleichzeitige Kalziummessung mit Fluoreszenzmarkern kann laut Egert zur ungewollten Aktivierung der Kanalrhodopsine führen. Des Weiteren entfaltet das Werkzeug nur dann seine maximale Wirkung, wenn die richtige Konzentration des Lichtsensors in der Zelle vorhanden ist. Wird zu viel freigesetzt, kann es zur Verklumpung kommen und das Molekül wirkt dann nicht mehr. Ebenso wenig gesichert ist die Zahl der transfizierten Nervenzellen. Mal können es fünf, mal 50 Prozent sein - ein großer Unterschied, der sich in den Ergebnissen niederschlägt. Dennoch ist Egert optimistisch: „Die Optogenetik wird sicher schnell zum Standardwerkzeug der Neurowissenschaft, auch wenn manches jetzt noch nicht so astrein funktioniert.“

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