Optogenetik - Eine Technologie zur Analyse neuronaler Prozesse mit Hilfe von Licht

Prof. Dr. Peter Hegemann
Institut für Experimentelle Biophysik, Humboldt-Universität zu Berlin 

Zur Analyse der Funktion einzelner Zelltypen des Gehirns ist man heute in der Lage, Proteine, deren Aktivitäten durch Licht regulierbar sind, mit genetischen Methoden in die zu analysierenden Zellen einzubringen. Die eigentliche Analyse kann dann an Einzelzellen in Kultur, an Hirnschnitten oder an lebenden Tieren erfolgen. Zum Einsatz kommen durch Licht aktivierbare Kanäle aus Mikroalgen wie Chlamydomonas,  lichtgetriebene Ionenpumpen aus Bakterien sowie Licht-regulierte Enzyme und Transkriptionsfaktoren. Um die „Fremdproteine“ in die „Gastzellen“ einzubringen, werden Transportsysteme wie Plasmide oder Viren verwendet. Beispielsweise wird das Gen aus der Alge mit einer Promotorsequenz der Zielzellen verknüpft, damit das Protein nur in den gewünschten Zielzellen produziert wird. Dieses Tandem-Konstrukt wird dann in einen Transporter eingebaut, der entweder Zellkulturen infizieren kann oder mit einer Kanüle in die Zielregion des Gehirns lebender Tiere eingebracht wird. Innerhalb weniger Tage wird nun das Licht-aktivierbare Protein in den Zielzellen produziert und ggf. in die Zellmembran eingebaut. In den nun folgenden biologischen Tests werden die Zellen einfach belichtet – in der Maus über einen Lichtleiter – und die Aktivität von Einzelzellen oder Zellen in Gehirnschnitten elektrophysiologisch vermessen oder die Aktivitäten wie z.B. der Ca2+-Einstrom in die Zellen mittels Fluoreszenz im Mikroskop verfolgt. An lebenden Tieren wird das Verhalten vor, während und nach der Belichtung untersucht und verglichen. Es werden gesunde Tiere und Tiere mit neuronalen Erkrankungen wie Parkinson, Epilepsie, Autismus, etc. untersucht, um die Ursachen dieser Krankheiten zu verstehen und zukünftig besser behandeln zu können.

Mit optogenetischen Methoden sind Neurowissenschaftler heute in der Lage, eine Vielzahl von Zelltypen nicht-invasiv mit Licht zu aktivieren und ihre Aktivitäten mit den neuesten elektrischen und optischen Methoden „auszulesen“ und zu analysieren. 

Youtube: Method of the year 2010 by Nature Video
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