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Giftige Qualle hilft der Forschung

Herzrhythmus-Störungen: Herzfrequenz mit Licht gesteuert

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Herzrhythmusstörungen gehören hierzulande zu den häufigsten Herzerkrankungen. Häufigkeit und Sterblichkeit nehmen nach Angaben der Deutschen Gesellschaft für Kardiologie seit einigen Jahren zu. Ihre Ursachen und Entstehung besser zu erforschen, ist auch das Ziel von Bonner Wissenschaftlern, die dazu nun einen auf den ersten Blick exotischen Ansatz wählten: Mithilfe von Rezeptoren aus einer äußerst giftigen Qualle konnten sie den Herzschlag und seine Frequenz durch Bestrahlung mit LED-Licht gezielt steuern, um so seine Regulation zu untersuchen.

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Wissenschaftler der Universität Bonn haben ein Gen aus der Würfelqualle Carybdea rastoni (s. Bild) in Mäuse eingebracht. Das Herz der Nager ließ sich danach durch Lichtreize gezielt steuern.
Wissenschaftler der Universität Bonn haben ein Gen aus der Würfelqualle Carybdea rastoni (s. Bild) in Mäuse eingebracht. Das Herz der Nager ließ sich danach durch Lichtreize gezielt steuern.
(Bild: © Mark Norman / Museum Victoria, Lizenz: CC BY (Attribution); http://portphillipmarinelife.net.au:8098/species/5670)

Bonn – Zelluläre Funktionen gezielt mit Licht steuern, um sie zu erforschen? Das ist seit einigen Jahren kein Science Fiction mehr sondern Teil eines eigenen Forschungszweigs, der so genannten Optogenetik. Doch ein ganzes Organ wie das Herz mit seinen essentiellen Funktionen über Licht steuern?

Im Tiermodell ist Forschern der Universität Bonn genau das nun gelungen. Sie konnten die Herzfrequenz von Mäusen durch Bestrahlung mit LED-Licht gezielt beeinflussen. Dazu brachten sie in den Herzen der Tiere einen Lichtrezeptor zur Ausprägung, der natürlicherweise einem ganz anderen Zweck dient: Er hilft der äußerst giftigen Würfelqualle Carybdea rastoni sich zu orientieren. Von Ihrem neuen Ansatz erhoffen sich die Forscher u.a., die Regulation des Herzschlages künftig genauer untersuchen zu können, um die Entstehung von Herzerkrankungen wie Herzrhythmus-Störungen besser zu verstehen.

Wie kamen die Forscher auf diese auf den ersten Blick nicht ganz naheliegende Idee? Als Helligkeits-Sensor dient der Qualle ein Rezeptor-Protein, das dem Sehpurpur (Rhodopsin) aus dem menschlichen Auge ähnelt. Wird der Quallen-Rezeptor von einem Lichtstrahl getroffen, aktiviert er seinerseits das so genannte stimulierende G-Protein. „Erstaunlicherweise kennen wir dieses G-Protein beim Menschen auch“, erklärt Prof. Dr. Philipp Sasse vom Institut für Physiologie I der Universität Bonn. „Allerdings nicht im Auge: Bei uns steuern stimulierende G-Proteine unter anderem den Herzrhythmus.“ Hierdurch sorgen sie dafür, dass sich unser Puls beschleunigt, wenn bei Gefahr oder körperlicher Arbeit unser Adrenalinspiegel im Blut steigt.

Herzfrequenz mit LED-Licht erhöht

Sasse und seine Kollegen haben den Helligkeits-Sensor der Würfelqualle daher zweckentfremdet, um mit ihm den Herzschlag von Mäusen zu steuern. Dazu haben sie die Bauanleitung des Sensors – sein Gen – in Labormäuse eingeschleust. Tatsächlich ließ sich die Herzfrequenz der Nager danach durch Stimulierung mit LED-Licht beschleunigen. „Wir können so sehr gezielte Untersuchungen durchführen, die normalerweise gar nicht möglich wären“, erklärt Sasse.

So schüttet der Körper bei Stress Adrenalin aus, das dann über die Blutbahn ins Herz gelangt. Dadurch werden praktisch alle stimulierenden G-Proteine in der Herzmuskulatur aktiviert, bis das Stresshormon irgendwann wieder ausgeschwemmt wird. „Durch die Verwendung von Licht können wir dagegen einen lokalen und zeitlich genau begrenzten Aktivierungsreiz setzen“, betont der Physiologe.

Per Optogenetik Entstehung von Herzrhythmus-Störungen besser verstehen

In der Studie haben die Forscher in einem Test nur den linken Vorhof stimuliert. In der Folge entwickelten sich bei der Maus Herzrhythmus-Störungen, die beim Menschen Vorhofflimmern auslösen können. Die Stimulation des rechten Vorhofs führte dagegen lediglich zu einer ganz normalen Beschleunigung des Pulsschlags – genauso, wie sie auch Adrenalin bewirkt. „Möglicherweise kann also eine unterschiedliche Reizverarbeitung im rechten und linken Vorhof Rhythmus-Störungen begünstigen“, erklärt Sasse. „Das ist eine These, die wir nun genauer untersuchen wollen.“

Die Studie zeigt auch, wie fein verschiedene Vorgänge zur Regulation des Herzschlags ineinandergreifen. Wenn sich etwa der Puls beschleunigt, muss sich die Herzmuskulatur nicht nur schneller und kräftiger zusammenziehen, sondern auch schneller wieder entspannen. Wenn dieses Zusammenspiel nicht klappt, sinkt die Menge des transportierten Blutes trotz eines schnelleren Herzschlags sogar ab. „Wir konnten nun experimentell nachweisen, dass die stimulierenden G-Proteine als erstes eine schnellere Entspannung fördern“, sagt Sasse. „Die Verstärkung der Herzkraft hinkt diesem Vorgang gewissermaßen hinterher.“

Auf herkömmlichem Wege wäre eine solch differenzierte Betrachtung kaum möglich gewesen. „Unsere optogenetische Methode stößt die Tür zu einem neuen Forschungsansatz auf“, erklärt Sasse. „Damit könnten sich in Zukunft die regionalen Unterschiede von komplexen Abläufen am Herzen deutlich besser untersuchen lassen als bislang.“

Originalpublikation: Philipp Makowka, Tobias Bruegmann, Vanessa Dusend, Daniela Malan, Thomas Beiert, Michael Hesse, Bernd K. Fleischmann und Philipp Sasse: Optogenetic stimulation of G s -signaling in the heart with high spatio-temporal precision; DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-09322-7

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