Optogenetik: auf dem Weg zu Gen- und Lichttherapien?

Optogenetik: mit Licht die Zellaktivität steuern

Was ist Optogenetik? In der Zellbiologie hängt das Funktionieren von Proteinen im Allgemeinen von einer Änderung ihrer Konformation ab, die sie von einem nicht aktiven Zustand in einen aktiven Zustand versetzt. Bei der Optogenetik wird in die Zellen ein Gen eingeführt, das für ein lichtempfindliches Protein kodiert, welches dann durch Lichtstimulation aktiviert wird. Bei diesen Proteinen handelt es sich im Allgemeinen um Opsine bakteriellen Ursprungs, deren Ionenkanäle je nach Stimulation ihre Konformation verändern.

Optogenetik ermöglicht es, die Aktivität einer Zelle sowohl räumlich (durch lokale Stimulation einer Gruppe von Zellen) als auch zeitlich (je nach Dauer der Stimulation) genau zu steuern. Sie ist also reversibel! Es können zahlreiche Funktionen mit Hilfe der Optogenetik gesteuert werden, da diese lichtempfindlichen Proteine an ein bestimmtes Protein gekoppelt sind. Die aktive Stelle und die damit verbundenen Mechanismen werden dann durch das lichtempfindliche Protein aktiviert.

Erste Anwendungen in der Ophthalmologie

Seit ihrer Entdeckung vor einem Jahrzehnt durch Karl Deisseroth an der Stanford University hat die Optogenetik die neurowissenschaftliche Forschung revolutioniert, indem sie die neuronalen Kommunikationswege aufdeckt und modifiziert. Auch wenn es viele Entwicklungen auf dem Gebiet der Epilepsie, der Parkinson-Krankheit und der Behandlung chronischer Schmerzen gibt, profitiert die Ophthalmologie am meisten von der Optogenetik. Die meisten klinischen Studien zur Optogenetik konzentrieren sich auf die Wiederherstellung der Funktionen der Photorezeptoren der Netzhaut und damit der visuellen Wahrnehmung von blinden Menschen mit degenerativen Retinopathien. Bei diesen Therapien werden virale Vektoren direkt in die Netzhaut injiziert, die z. B. für Channelrhodopsin oder Halorhodopsin kodieren. Dank ihrer lichtempfindlichen Eigenschaften wandeln diese Proteine dann nicht funktionierende Netzhautneuronen in künstliche Fotorezeptoren um. Mehrere Unternehmen (Gensight Biologics, Allergan, Bionis Sight, …) konzentrieren sich auf diese Anwendungen (Retinitis pigmentosa, AMD usw.), und Kandidaten befinden sich derzeit in Phase 2 der klinischen Entwicklung. Es ist wahrscheinlich, dass die Optogenetik innerhalb der nächsten 10 Jahre zu einer regulären Behandlungsmöglichkeit werden könnte.

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Krebs, Neurologie, Arzneimittel-Screening: ein riesiges Potenzial für medizinische Anwendungen

Es gibt aber noch mehr Bereiche als neurodegenerative Erkrankungen und Retinopathien, in denen Optogenetik Anwendung finden könnte! Die Forschung auf dem Gebiet der Optogenetik befindet sich noch in der Anfangsphase und ist noch nicht ausgereift: das Spektrum möglicher Entdeckungen ist theoretisch unendlich. Erste Studien befassen sich mit der Veränderung von Geschmack und Durst oder der Erzeugung von falschen Erinnerungen.

Die Forschung im Gesundheitswesen ist in vollem Gange. Eine der Anwendungen der Optogenetik liegt im Screening von Molekülen. Durch die Verwendung lichtempfindlicher Ionenkanäle ermöglicht die Optogenetik ein schnelles und kostengünstiges Screening künftiger Kandidaten. So hat beispielsweise das Unternehmen Q-State Biosciences potenzielle Behandlungsmöglichkeiten für Querschnittslähmung identifiziert.

In der Neurologie sind die Entwicklungen weniger weit fortgeschritten als in der Ophthalmologie. Circuit Therapeutics interessiert sich beispielsweise für den Einsatz lichtempfindlicher Proteine zur lokalen Behandlung chronischer peripherer Schmerzen und zur Tiefenhirnstimulation in situ.

Darüber hinaus – und das ist die größte Überraschung – findet Optogenetik auch im Bereich der Immuntherapie ihren Platz. Erste Arbeiten der Universität Rochester deuten auf die Möglichkeit hin, hämatologische Krebstumore mit „Super-Immunzellen“ zu behandeln, die durch Licht aktiviert und dann mit der Methode des „Selbstmordgens“ abgetötet werden. Durch diese Ausschaltung können übermäßig starke Autoimmunreaktionen vermieden werden. Diese Entwicklungen befinden sich noch im Anfangsstadium, zeigen aber neue Wege auf, um das Immunsystem zur Bekämpfung bestimmter Krebsarten zu stärken und gleichzeitig das Risiko von Nebenwirkungen zu verringern.

Es ist zu erwarten, dass sich die Optogenetik als Teil der Grundlagenforschung und der angewandten Forschung rasch weiterentwickeln wird. Dabei handelt es sich um einen Ansatz, der einfach umzusetzen und flexibel ist und spezifische Anwendungen ermöglicht. Damit die Optogenetik zu Ergebnissen führt, müssen noch einige Hürden überwunden werden – insbesondere hinsichtlich der Sicherheit des Proteins (das häufig nicht menschlichen Ursprungs ist) und der Wellenlänge, mit der es aktiviert werden soll. Die Forschung macht jedoch rasche Fortschritte: Zwischen 2010 und 2020 ist die Zahl der Veröffentlichungen zu diesem Thema von weniger als 100 auf mehr als 1 300 pro Jahr gestiegen. Angesichts solcher Forschungsanstrengungen hat die Optogenetik großes Potenzial, die Entwicklung lokaler und wirksamer Gentherapien zu fördern.

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Über die Autoren, 

Léa, Senior Consultant in Alcimeds Life Sciences Team in Frankreich

Benjamin, Project Manager in Alcimeds Life Sciences Team in Frankreich