Hoffnung fürs Auge

Februar 2017 | Die Zeit | Zukunft Medizin

Hoffnung fürs Auge

Noch ist es Science Fiction. Optogenetiker hoffen, Zellen so umgestalten zu können, dass sie die Funktion der lichtempfindlichen Zapfen und Stäbchen übernehmen. Dann könnten Blinde wieder sehen.

Illustration: Theresa Schwietzer
Dr. Ulrike Schupp / Redaktion

Eine neue Therapie verspricht für die Zukunft große Fortschritte, wenn nicht sogar Heilungschancen bei der Behandlung von Erkrankungen der menschlichen Netzhaut. Mittels einer Gentherapie werden Nerven im Auge verändert, sodass sie lichtempfindlich werden. Ein Virus wird mit der genetischen Information für einen licht-aktivierbaren Ionenkanal (Kanalrhodopsin) aus Algen ausgestattet und dann direkt ins Auge gespritzt. Bestimmte Nervenzellen sollen die genetische Information aus der Alge übernehmen und dann ebenfalls lichtempfindlich werden. Die Nervenzellen sind dadurch in der Lage, elektrische Signale an das Gehirn zu senden, sobald sie durch Licht entsprechend stimuliert werden. Patienten mit Netzhauterkrankungen könnten damit zumindest einen Teil ihrer Sehkraft zurückgewinnen.

„Optogenetik“ nennt sich dieses junge Forschungsgebiet. Heilungschancen versprechen sich die Wissenschaftler und Mediziner zunächst vor allem bei Retinitis pigmentosa, einer erblichen Netzhauterkrankung, bei der die Photorezeptoren im Auge, die Zapfen und Stäbchen der Retina, nach und nach absterben. Beim gesunden Auge sind diese Photorezeptoren dafür zuständig, dem Gehirn über Nervenverbindungen die Signale zu vermitteln, die den Sehvorgang steuern. Je mehr Rezeptoren ausfallen, desto größer ist für den Patienten die Gefahr zu erblinden. Genetisch veränderte Ganglienzellen könnten die Funktion der Zapfen und Stäbchen jedoch weitgehend übernehmen.

Wurden optogenetische Verfahren bis vor kurzem vor allem an Tieren wie Fliege, Zebrafisch oder Maus getestet, gibt es nun in den USA bereits Studien zu Anwendungen am Menschen. Die ersten klinischen Evaluationen zu optogenetischen Therapien meldete die Retina Foundation of the Southwest im August 2015, allerdings sind noch etliche weiterführende Untersuchungen notwendig.

Nervenzellen durch Licht steuern

International gewinnt die junge neurobiologische Disziplin der Optogenetik auch deshalb an Bedeutung, weil sie es ermöglicht, die Reaktionsweise sowohl einzelner Zellen als auch die ganzer Zellverbände zu beobachten, sie zu analysieren und zu beeinflussen. „Die Optogenetik revolutioniert momentan die neuro- und zellbiologische Forschung“, sagt Prof. Ernst Bamberg vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt. „Denn jetzt können wir erstmals ohne Elektroden und ohne jedwede chemische Modifizierung die Aktivität der Nervenzellen durch Licht steuern.“

Sie eröffnet der Grundlagenforschung völlig neue Möglichkeiten, um die Auswirkungen von Änderungen etwa in der Ionenzusammensetzung oder beim pH-Wert in den Zellen ohne gröbere Eingriffe zu untersuchen.

Einer der Begründer der Optogenetik ist Peter Hegemann. Ausgehend von seinen Forschungen an der einzelligen Grünalge Chlamydomonas konnte der Biochemiker, der seit 2005 als Professor für Experimentelle Biophysik an der Humboldt-Universität zu Berlin lehrt, mit seinem Kollegen Georg Nagel erstmals zeigen, dass völlig unterschiedliche Zelltypen einfach durch Licht „schaltbar“ sind.

Das Ganze funktioniert allerdings nur, wenn die Zellen zuvor mit dem Lichtrezeptor-Protein – dem Kanalrhodopsin-2-Protein – ausgestattet wurden. Verschiedene Pioniere der Neurowissenschaften wie Karl Deisseroth aus Stanford, Hiromu Yawo aus Sendai und Stefen Herlitze, der heute in Bochum forscht, konnten erstmals mithilfe der Kanalrhodopsine sowohl einzelne Nervenzellen als auch komplexe neuronale Netzwerke bis hin zu Mäusegehirnen mit präzisen räumlich-zeitlichen Lichtmustern anregen. Die Wissenschaftler zeigten außerdem, dass sich durch die Lichtimpulse auch das Verhalten der Mäuse beeinflussen ließ. „Mit der DNA von Algen, die auf Licht reagieren, können wir Zellen in anderen Organismen gezielt verändern. Wenn wir die manipulierte Zelle anschließend belichten, kann sie zum Beispiel eine bestimmte Bewegung des Körpers hervorrufen,“ erklärte Hegemann seine Forschung anlässlich der Verleihung des Berliner Wissenschaftspreises 2015.  

Vielfältige Anwendungsgebiete

Kanalrhodopsine sind unter anderem deshalb einzigartig, weil sie bei Belichtung für positiv geladene Ionen durchlässig werden. Dadurch  wird an der Zellmembran das elektrische Signal ausgelöst, das die Zellaktivitäten beeinflusst. „Licht ist ein wunderbares Medium, um Naturvorgänge auf allen Längen- und Zeit-skalen zu untersuchen, aber auch, um Prozesse, die sich in Molekülen abspielen, zu analysieren“, sagt Hegemann. Medizinische Vorteile könnten bei der Anwendung optogenetischer Therapien langfristig gesehen nicht nur für Patienten mit Retinitis pigmentosa oder mit anderen Netzhauterkrankungen entstehen. Auch Morbus Parkinson könnte möglicherweise mit Licht therapiert werden. Dies belegen Studien mit Parkinson Mäusen. Ausgestattet mit optogenetisch veränderten Zellen bewegten sich die Tiere wieder fast so wie gesunde Mäuse, sobald das Forscherteam die Lichtquelle aktivierte. Mittlerweile gibt es eine ganze Reihe von Krankheiten, bei denen sich die Optogenetik als überaus wirksam erweisen könnte. Chronische Schmerzen, Depressionen, Epilepsie oder Taubheit gehören dazu, aber auch Schizophrenie oder Alzheimer.

Risiko Trägervirus 

Nicht verschwiegen werden sollten allerdings auch mögliche Risiken und Nebenwirkungen. Beispielsweise können sich nach einer Behandlung am Auge die neuen optogenetisch geschaffenen Photorezeptoren nicht so flexibel an schwankende Lichtverhältnisse anpassen wie eine gesunde Retina. Für einen Ausgleich sollen spezielle Brillen sorgen. Außerdem muss sicher gestellt sein, dass es beim Einschleusen des Genmaterials keine unerwünschten Immunreaktionen gibt. Es ist also von großer Bedeutung, ein Trägervirus auszuwählen, das nicht krank macht.

Last but not least müssen die Patienten bereit dazu sein, sich zunächst einen Virus injizieren zu lassen, der fremde DNA in ihr System einschleust. Peter Hegemann warnt vor übertriebenen Erwartungen: „Bei der Therapie der Erblindung bin ich nicht sehr optimistisch“, sagt der Wissenschaftler. „Die Euphorie beinhaltet immer die Gefahr, dass man Hoffnungen erweckt, die nicht erfüllt werden.“ Für ihn ist die Optogenetik in erster Linie zunächst ein analytisches und kein therapeutisches Instrument.