Ärzte Zeitung online, 11.03.2010

Optogenetik: Nervenzellen werden mit Licht gesteuert und so erforscht

FRANKFURT (eb). Nervenzellen können durch Beleuchtung von außen aktiviert oder gehemmt werden. Das stellten jetzt Wissenschaftler aus Frankfurt / Main bei Fadenwürmern fest. Die neuen Erkenntnisse liefern nun Rückschlüsse auf Nervenzell-Funktionen.

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Fadenwurms C. elegans: Einige seiner Nervenzellen wurden mit Licht-aktivierbaren Proteinen aus Grünalgen "bestückt. Durch Beleuchtung von außen kann die Aktivität der grün leuchtenden Nervenzellen beinflusst werden. © AG Gottschalk

Professor Alexander Gottschalk von der Goethe-Universität Frankfurt am Main, untersucht die Funktion elementarer Nervenschaltkreise in einem einfachen Modellsystem, dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans. In Zusammenarbeit mit einer Gruppe von Professor Ernst Bamberg am Max-Planck-Institut für Biophysik hat er über gentechnische Methoden Licht-aktivierbare Proteine aus Grünalgen und Bakterien in das Nervensystem des Wurmes eingebracht. Auf diese Weise gelang es, diese Nervenzellen durch Beleuchtung von außen zu aktivieren oder zu hemmen, so dass man Rückschlüsse auf ihre Funktionen ziehen kann.

C. elegans, ein mikroskopisch kleiner, durchsichtiger Fadenwurm, besitzt gerade mal 302 Nervenzellen, die durch Elektronenmikroskopie genau kartiert wurden. Obwohl der Wurm mit seinen etwa 7000 Synapsen weniger Verschaltungen aufweist, als ein einzelnes menschliches Pyramidal-Neuron, findet man doch große Ähnlichkeiten zum Säuger, wenn man das Zusammenwirken der Neuronen betrachtet. So finden sich im Fadenwurm Interaktionen in Nervenzellen zur Geruchswahrnehmung, die analog zu Schaltkreisen in der Säuger-Retina funktionieren.

Die bei C. elegans erprobten Prinzipien der Nervensteuerung durch Licht könnten in absehbarer Zeit vielleicht auch beim Menschen anwendbar sein, zum Beispiel, um bei besonders starken Formen der Epilepsie oder der Parkinson Krankheit Nervenzellen, die aus dem Ruder laufen, mit Hilfe von Licht ruhigzustellen. "Das klingt futuristischer als es ist", so Gottschalk, denn bereits heute implantiere man zum gleichen Zweck Elektroden ins Hirn der Patienten - mit dem deutlichen Nachteil, dass man nicht bestimmen könne, welche Nervenzellen beeinflusst werden. Dadurch sind unerwünschte Nebeneffekte möglich. "Mithilfe der Optogenetik ließen sich ganz gezielt nur die erwünschten Neuronen ansteuern, außerdem sind Lichtfasern viel dünner und weniger invasiv als Drahtelektroden", so Gottschalk.

Weitere medizinische Anwendungen der Optogenetik stellen Versuche dar, durch Expression des Algenproteins ChR2 im Auge bestimmte Formen von Blindheit zu kurieren, bei denen die Photorezeptorzellen degenerieren. Gottschalks Arbeitsgruppe kann Nervenzellen mit Licht sehr präzise und mit geringem experimentellem Aufwand stimulieren. Auf diese Weise können molekulare Defekte in der Neurotransmissionsmaschinerie der Nervenzellen von genetischen Mutanten exakt charakterisiert werden. Die Gruppe benutzt weiterhin biochemische Methoden, um Proteinkomplexe und Organellen aus dem Nervensystem des Fadenwurms zu isolieren und dabei neue Proteine zu entdecken, die für die Nervensystemfunktion bedeutsam sind.

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