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Optogenetik: Forscher stimulieren Muskeln mit Licht

Erstmals haben Wissenschaftler Skelettmuskeln direkt mit Lichtpulsen gesteuert. Die Methode soll eines Tages den Ausfall von Nerven kompensieren.
Labormaus auf der Hand eines Forschers Laden...

Ursprünglich wurde die Optogenetik entwickelt, um Nervenzellen ein- und auszuschalten. Doch die Lichttechnik kann noch mehr: Auch Muskeln lassen sich mit ihrer Hilfe kontrolliert aktivieren. Womöglich taugt das Verfahren sogar dazu, eines Tages den Ausfall von Nervenzellen technisch zu kompensieren.

Das zeigt nun eine aktuelle Studie von Forschern der Universität Bonn. In ihrem Experiment brachten sie Muskeln aus dem Kehlkopf von Mäusen dazu, sich auf Kommando zusammenzuziehen. Das Team um Philipp Sasse schleuste dazu ein lichtempfindliches Kanalprotein in die Muskelzellen. Es lagert sich in den Membranen der Zellen an und lässt Ionen in die Zelle passieren, sobald man es mit Licht bestrahlt. Dadurch imitiert es den natürlichen Aktivierungsmechanismus von Muskelzellen und sorgt so dafür, dass sie sich zusammenziehen.

Skelettmuskeln kontrahieren auf Kommando

Die grundsätzliche Machbarkeit des Verfahrens hatte das Team bereits vor einigen Jahren an Herzzellen erprobt. Der Test am Mäuse-Kehlkopf ergab nun, dass auch die typischen Anregungsarten der Skelettmuskulatur durch Licht imitiert werden können – wie zum Beispiel eine dauerhafte Kontraktion. Auch wie stark sich der Muskel zusammenzieht, lässt sich durch Lichtpulsdauer und -frequenz steuern.

Manipulation des Kehlkopfs

Dadurch rückt das Verfahren zumindest prinzipiell in die Nähe einer therapeutischen Anwendung: Geht es nach Sasse und Kollegen, könnten eines Tages entsprechend behandelte Organe – wie etwa der Kehlkopf – mit Hilfe von Licht stimuliert werden, das über Glasfasern an Ort und Stelle geleitet wird. Das bietet sich zum Beispiel dann an, wenn Nerven infolge eines chirurgischen Eingriffs zerstört wurden.

Ein Vorteil gegenüber der Anregung mit elektrischem Strom ist die höhere Genauigkeit: Während bei der Elektrostimulation beispielsweise auch Sinneszellen oder falsche Muskelbereiche aktiviert werden können, erreicht man beim optogenetischen Verfahren ausschließlich jene Zellen, in die man zuvor das lichtempfindliche Kanalprotein eingebaut hat.

Wie verlegt man den Kanal?

Dieser größte Vorteil ist jedoch zurzeit das größte Hindernis: Um die Kanalproteine in die Neurone oder Muskelzellen zu befördern, werden in der Regel gentechnische Verfahren eingesetzt. Wissenschaftler fügen dabei die Bauanleitung für das Kanalprotein in das Genom der Versuchstiere ein, woraufhin deren Zellen das Protein an den gewünschten Stellen produzieren. Für eine medizinische Anwendung kommt ein solcher Eingriff nicht in Frage.

Sasse und Team erprobten darum auch eine alternative Route, bei der die genetische Bauanleitung mittels eines Virus ins ausgewachsene Tier verfrachtet wird. Das Virus wird dazu in den Muskel injiziert, wo es die Zellen befällt und die von den Forschern mitgeschickte DNA freisetzt. Die Experimente zeigten, dass sich über einen Zeitraum von Wochen auch so genügend Kanalproteine in den Membranen der Kehlkopfmuskelzellen ansammeln. In einem nächsten Schritt planen die Forscher, das Verfahren an Schweinen zu testen.

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