Sie ist eine Lichttherapie der etwas ungewöhnlichen Art: die Optogenetik. Das Verfahren, bei dem Nervenzellen mittels Licht gezielt an- und ausgeschaltet werden, hat in den letzten Jahren vor allem die neurowissenschaftliche Grundlagenforschung beflügelt. Doch mittlerweile tüfteln Forscher damit auch an besseren Therapien von neurologischen Erkrankungen wie Parkinson, Epilepsie oder Schlaganfall.

Ein Problem der bisherigen Behandlungsmethoden ist seit Längerem bekannt: Medikamente und Methoden der Hirnstimulation greifen zu unspezifisch in das neuronale Räderwerk ein. Das zeigt sich etwa am Beispiel der tiefen Hirnstimulation bei Parkinson. Hier gibt eine Art Hirnschrittmacher an alle Zellen in einem bestimmten Gewebeabschnitt elektrische Impulse ab. Ungewollt werden damit auch Neurone außerhalb der Zielregion stimuliert – mit zum Teil schweren Nebenwirkungen. Durch eine optogenetische "Lichttherapie" könnte es gelingen, die gewünschten Zellen auf den Mikrometer genau ein- oder auszuschalten.

Bei der Optogenetik werden Nervenzellen mittels Licht gezielt an- und ausgeschaltet

Neben ermutigenden Ergebnissen bei Parkinson im Tiermodell gab es in den letzten Jahren vor allem einige Erfolg versprechende Ansätze bei Epilepsie. Eine der häufigsten Varianten ist die Schläfenlappenepilepsie. Sie erweist sich oftmals als sehr resistent gegenüber einer medikamentösen Behandlung. Auch den epileptischen Herd im Gehirn chirurgisch zu entfernen, kann zwar den Patienten einige Erleichterung bringen. Es werden dabei aber auch wichtige Hirnbereiche in Mitleidenschaft gezogen.

Übererregung auf Knopfdruck dämpfen

Wie maßgeschneidert scheint da das optogenetische Handwerkszeug für diese Störung zu sein. Immerhin ist das Neuronengewitter im Gehirn Ausdruck eines Ungleichgewichts: Erregende Impulse erlangen im Vergleich zu hemmenden die Oberhand. Ganze Gruppen von Nervenzellen feuern daraufhin unkontrolliert. Die Idee liegt nahe, die übererregten Nervenzellen per "Lichtschalter" einfach auszuknipsen.

Das haben Forscher um den Neurobiologen Ivan Soltesz von der University of California in Irvine bereits 2013 bei Mäusen getestet. Mittels EEG und einer Software konnten Soltesz und Kollegen in Echtzeit feststellen, wenn sich Anfälle anbahnten. Um diese zu lindern, griffen sie tief in die Trickkiste der Optogenetik. Sie nutzten ein lichtempfindliches Protein, den Ionenkanal Halorhodopsin aus Halobakterien. Über Viren lässt er sich in den genetischen Bauplan von Nervenzellen einschleusen. Bestrahlt man ihn dann über ein implantiertes Glasfaserkabel mit gelbem Licht, pumpt er negativ geladene Chloridionen in die Nervenzelle und legt sie dadurch still.

Auf diesem Weg brachten die Wissenschaftler nicht nur erregende Neurone im Hippocampus der Nager zum Schweigen. Sie konnten auch tatsächlich die Krampfanfälle reduzieren. "Unser optogenetischer Ansatz hilft zu verstehen, wie Anfälle entstehen und wie sie experimentell gestoppt werden können", sagt Ivan Soltesz. Ihre Studie zeige, dass man Krampfanfällen mit dem gezielten Steuern von eng umgrenzten Gruppen von Zellen begegnen könne.

"Die Übertragung von experimentellen Studien in klinische Versuche ist alles andere als einfach" (Jan Tønnesen)

Zielregionen näher einzukreisen und exakt anzuvisieren, das war 2014 auch der Plan des Neurochirurgen Gary Steinberg und seiner Kollegen von der Stanford University School of Medicine. Nach einem Schlaganfall können sich Nervenzellen als Teil des Regenerationsprozesses neu verdrahten. Schon heute gibt es Ansätze, die Regenerationsfähigkeit und Plastizität des Gehirns auf Trab zu bringen: etwa durch die transkranielle Magnetstimulation unter Einsatz von starken Magnetfeldern.

Aber auch hier macht Forschern wieder das Problem der herkömmlichen Stimulationsmethoden zu schaffen: Sie greifen zu unspezifisch in Hirnregionen ein. Letztlich aktivieren sie die unterschiedlichsten Zelltypen in dem stimulierten Gebiet. Das erschwert es, diejenigen Gruppen zu identifizieren, die die Regeneration vorantreiben: Sind es nur Nervenzellen oder beispielsweise auch die Gliazellen, die Stütz- und Helferzellen des Nervensystems?

Das Team um Steinberg wollte daher herausfinden, ob es ausreicht, ausschließlich Nervenzellen zu stimulieren. Bei Mäusen lösten die Forscher zunächst künstlich einen Schlaganfall aus. Anschließend aktivierten sie mittels Licht Nervenzellen im für Bewegungen wichtigen motorischen Kortex in der Nähe der Schlaganfallregion. Tatsächlich erholten sich die Nager von den Schlaganfällen besser als Mäuse ohne Stimulation. Sie machten einen fitteren Eindruck, legten etwa bessere Bewegungs- und Koordinationsfähigkeiten an den Tag. Und die gesteigerte Regeneration spiegelte sich auch in ihrem Gehirn wider: in einer besseren Durchblutung und vermehrt ausgeschütteten Nervenwachstumsfaktoren – dem Ausdruck einer gesteigerten Hirnplastizität.

"Unsere Arbeit führt möglicherweise zur Identifizierung von Schaltkreisen, die wir bald mit aktuell verfügbaren Methoden anvisieren können", sagt Gary Steinberg. Aber der Neurochirurg hat noch eine weiter reichende Vision: "Vielleicht findet auch die optogenetische Stimulation innerhalb des nächsten Jahrzehnts Eingang in klinische Versuche."

Von der Maus zum Menschen

Doch bevor die Optogenetik überhaupt beim Menschen angewendet werden kann, müssen noch einige Hindernisse aus dem Weg geräumt werden. Eine schwer zu überwindende Hürde sieht der Neurowissenschaftler Jan Tønnesen vom schwedischen Lund University Hospital darin, dass Licht im Gewebe extrem abgeschwächt wird. Photonen der bislang benutzten Wellenlängen könnten sich maximal einen Millimeter im Gewebe fortpflanzen. Das Hirnvolumen von Menschen ist im Vergleich zu Nagetieren wesentlich größer. "Deshalb ist es natürlich wesentlich leichter, optische Kontrolle über Strukturen im Nagerhirn zu gewinnen", sagt Tønnesen. "Von daher ist die Übertragung von experimentellen Studien in klinische Versuche alles andere als einfach." Ein möglicher Ausweg könnte darin bestehen, zukünftig auf Licht anderer Wellenlänge zu setzen. Auf Licht, das größere Distanzen in natürlichem Gewebe zurücklegen kann.

Genau diesen Weg schlug ein Team um den Neurowissenschaftler Edward Boyden vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein. Die Forscher griffen in einer 2014 erschienenen Studie auf rotes Licht zurück. Es kann sich leichter im Hirngewebe fortbewegen. Mit dem roten Licht betätigten sie einen neu entwickelten Schalter, einen Ionenkanal von Halobacterium salinarum. Dabei konnten Boyden und Kollegen gleichzeitig der Lösung eines weiteren Problems der Optogenetik einen großen Schritt näher kommen. Denn bislang ist die Technik invasiv. Es muss ein Lichtleiter in das Gehirn eingesetzt werden, wodurch Nebenwirkungen wie Hirnläsionen entstehen können. Eine weitere Hürde für den Einsatz bei Menschen.

Doch die von Boyden und seinen Kollegen verwendete Lichtquelle befand sich außerhalb des Schädels von Mäusen. Und sie konnte dennoch Neurone stilllegen, die bis drei Millimeter tief im Gehirn der Nager lagen. Boyden selbst sieht in dem nichtinvasiven Ansatz einen Schritt in Richtung optogenetischer Behandlungen von neurologischen Erkrankungen. Er schränkt aber gleich ein: "Da das von uns verwendete lichtempfindliche Protein nicht vom Menschen stammt, müssen viele Studien durchgeführt werden, um seine Sicherheit und Wirksamkeit im Kontext der Therapie einzuschätzen."

Und der Neurobiochemiker Alexander Gottschalk von der Uni Frankfurt hegt noch weitere Bedenken. "Zwar kann man im Tiermodell etwa bei der Epilepsie die an den Anfällen beteiligten Nervenzellen stilllegen." Das Problem ist aber: "Wie finde ich beim individuellen menschlichen Patienten heraus, welche Zellen das sind?" Im Patienten könne man sich dieser Frage ja nicht mit Versuchsreihen annähern. Die Optogenetik könne lediglich helfen, die an einer Erkrankung beteiligten Nervenzellen zu identifizieren. "Aber das eben vorwiegend im Tiermodell."

Und es tun sich noch weitere technische Probleme auf. Schließlich kann nur eine Gentherapie die fremden Genabschnitte ins Genom der menschlichen Nervenzellen einschleusen. Das ist nicht nur methodisch eine Herausforderung. Die damit verbundenen Risiken gelten bislang als unvertretbar. Von den ethischen Problemen einmal ganz abgesehen. Bis zur "Lichttherapie" von neurologischen Störungen ist es also noch ein langer und beschwerlicher Weg.