Neues Protein steuert Zellaktivität mit Licht „Molekularer Lichtschalter“ für Sehen, Hören, und rhythmische Herzen

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Göttinger Wissenschaftler entwickeln ein lichtempfindliches Protein entwickelt, das bereits mit sehr geringen Lichtmengen auskommt und Seh- und Hörsinn wiederherstellen kann sowie den Herzrhythmus reguliert. Der „molekulare Lichtschalter" ist ein weiterer Schritt zur klinischen Anwendung bei blinden, tauben und herzkranken Menschen.

Es wirkt wie ein modernes medizinisches Wunder: die Optogenetik. Diese Technologie nutzt lichtempfindliche Proteine, so genannte Kanalrhodopsine, um die Aktivität von Nerven- und Muskelzellen gezielt zu steuern und so den Seh- und Hörsinn wiederherstellen kann. Die Baupläne für diese „molekularen Lichtschalter“ werden mittels spezieller Viren in die entsprechenden Zellen eingeschleust. Durch gezielt gesetzte Lichtpulse kann dann die Zellaktivität präzise an- und abgeschaltet werden.

Das Feld der Optogenetik hat weltweit neue Möglichkeiten in der Grundlagenforschung, aber auch für die Behandlung von Erkrankungen eröffnet. Damit diese Technologie zur Entwicklung neuer Behandlungsmaßnahmen für beispielsweise herzkranke, schwersthörige und blinde Menschen genutzt werden kann, müssen sowohl die lichtempfindlichen Proteine als auch die Viren optimal angepasst werden, um den maximalen Nutzen und die erforderliche Sicherheit für die Anwendung beim Menschen zu gewährleisten.

Optimiertes lichtempfindliches Protein

Wissenschaftler des Göttinger Exzellenzclusters Multiscale Bioimaging (MBExC) und des Else Kröner Fresenius Zentrums für Optogenetische Therapien (EKFZ OT) haben jetzt die Entwicklung und Anwendung eines neuen, besonders vielversprechenden lichtempfindlichen Proteins beschrieben. Dieses neue Kanalrhodopsin trägt den Namen „ChReef“. „Durch die gezielte Veränderung des Bauplans dieses lichtaktivierbaren Proteins und den Einsatz von zum Teil roboterbasierten Analysemethoden, ist es uns gelungen, die Effizienz der optogenetischen Anregung deutlich zu steigern“, erklärt Dr. Thomas Mager, Arbeitsgruppenleiter am Institut für Auditorische Neurowissenschaften der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) und Studienleiter. „Damit kommen wir einen ganzen Schritt weiter Richtung Anwendbarkeit beim Menschen, um den Seh- und Hörsinn wieder herzustellen und den Herzschlag zu regulieren“, ergänzt Prof. Dr. Tobias Moser, Direktor des Instituts für Auditorische Neurowissenschaften der UMG sowie MBExC- und EKFZ OT-Sprecher.

Details zur Lichtwahrnehmung mit Rhodopsin und Retinal

Die Biochemie des Sehens aufgeschlüsselt

Herzen in Rhythmus bringen und blinde Mäuse wieder sehen lassen

In einer umfassenden Studie haben die Wissenschaftler die Effizienz des neuen Kanalrhodopsins geprüft und Belege für das große Potenzial von ChReef für die Biowissenschaften und die klinische Anwendung erbracht. Die Forscher haben beispielsweise gezeigt, dass das neue „Werkzeug“ unregelmäßig schlagende Herzmuskelzellen mit sehr geringem Energieaufwand wieder in den richtigen Takt überführen kann.

In einer weiteren Studie wurde das neue Werkzeug blinden Mäusen in Form einer Gentherapie in die Augen eingeschleust. Ein anschließender Verhaltenstest zeigte, dass die Mäuse in der Lage waren, Helligkeitsunterschiede auf einem iPad-Bildschirm zu erkennen. Diese Art der Sehwiederherstellung wurde bereits im Rahmen anderer Studien am Menschen überprüft, allerdings waren mit den bisher verwendeten Kanalrhodopsinen sehr starke Lichtquellen notwendig.

„Hören mit Licht“

Eine weitere mögliche Anwendung von ChReef sehen die Forschenden in der optogenetischen Wiederherstellung des Hörens mittels dem optogenetischen Cochlea Implantat (oCI). Dieses verspricht eine bessere Auflösung verschiedener Tonhöhen im Vergleich zum elektrischen Cochlea Implantat, das derzeit weltweit zur Hörrehabilitation eingesetzt wird.

In der nun veröffentlichten Studie benötigten die Forschenden für das „Hören mit Licht“ beeindruckend geringe Lichtmengen. „Durch die Entwicklung von ChReef haben wir einen großen Schritt in Richtung klinische Anwendung des optogenetischen Cochlea Implantats gemacht, da nun deutlich weniger Energie für das ‚Hören mit Licht‘ benötigt wird“, erläutert Forschungssprecher Moser. „Zum einen reduzieren sich dadurch die Schädigungen der Zellen durch Licht, zum anderen halten die Batterien länger.“

Für die Anwendung am Menschen ist ebenfalls relevant, dass die Wiederherstellung des Hörsinns mit Licht auch im Primatenmodell möglich ist, wie Wissenschaftler um Prof. Dr. Marcus Jeschke, Leiter der Forschungsgruppe „Kognitives Hören bei Primaten“ am Deutschen Primatenzentrum – Leibniz-Institut für Primatenforschung (DPZ), in Göttingen zum ersten Mal zeigen konnten. Das sind gute Vorzeichen für eine künftige Entwicklung neuer Therapien zur Behandlung von Blindheit, Taubheit und Herzrhythmusstörungen.

Originalpublikation: Alekseev A, Hunniford V, Zerche M, Jeschke M, El May F, Vavakou A, Siegenthaler D, Hüser MA, Kiehn SM, Garrido-Charles A, Meyer A, Rambousky A, Alvanos T, Witzke I, Rojas-Garcia KD, Draband M, Cyganek L, Klein E, Ruther P, Huet A, Trenholm S, Macé E, Kusch K, Bruegmann T, Wolf BJ, Mager T, Moser T Efficient and sustained optogenetic control of sensory and cardiac system, Nat Biomed Engin (2025); DOI: 10.1038/s41551-025-01461-1

(ID:50511310)