Optogenetik

Die Optogenetik ist eine Kombination genetischer und optischer Methoden, um mit Licht spezifische Ereignisse in Zielzellen, Geweben oder komplexen Lebewesen hervorzurufen.

Das Verfahren wurde 2002 erstmals für die Neurologie entwickelt, findet aber mittlerweile in modifizierter Form auch Einsatz in der Histologie sowie der Molekular- und Zellbiologie.

Bei der Methode wird das Genom von Zielzellen dahingehend verändert, dass bestimmte lichtsenssitive Fusionsproteine exprimiert werden, die unter Lichteinfluss ihre Funktionalität innerhalb von Millisekunden erhalten oder verlieren.

2.1. Channelrhodopsin (ChR2)

Ein Beispiel für einen optogenetischen Schalter auf molekularer Ebene ist das Channelrhodopsin bzw. Kanalrhodopsin. Dabei handelt es sich um ein modifiziertes Ionenkanal-Protein, das durch Licht aktiviert werden kann. Somit lassen sich Zellen durch Lichtimpulse gezielt depolarisieren. Durch Fusion mit einem Fluoreszenzlabel können so durch Licht angeregte Axone und Synapsen im Gehirngewebe identifiziert werden.

Mit dieser Technik wurden bereits weitreichende neuronale Bahnen im Gehirn kartiert.

2.2. Guillardia theta anion-conducting channelrhodopsin 2 (GtACR2)

GtACR2 ist ein Chlorid-selektives Channelrhodopsin, das im Gegensatz zu ChR2 bei Aktivierung das Membranpotential in Richtung des Chlorid-Nernst-Potentials verschiebt, das i.d.R. zwischen -65 und -70 mV liegt. Die Hyperpolarisation führt zu einer Hemmung der Nervenzelle, sofern die Expression des optogenetischen Anionenkanals nicht an den Axonen erfolgt. Mit dieser Technik können Neuronenpopulationen präzise und selektiv mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ausgeschaltet werden. Der Prozess ist reversibel und selbstlimitierend.

Zu beachten ist, dass in Axonen das Chloridgleichgewicht durch Aktivierung eines optogenetischen Chloridkanals zu antidromen Aktionspotentialen führen kann. Dies kann durch eine gezielte Expression des Kanals auf dem Zellkörper (Soma-Targeting) verhindert werden.

In Kardiomyozyten liegt das Gleichgewichtspotential für Chlorid bei ca. -30 mV. Ein Chlorid-Strom wirkt hier also depolarisierend und kann daher eine andere Wirkung haben als in Nervenzellen.

• Mahn et al. High-efficiency optogenetic silencing with soma-targeted anion-conducting channelrhodopsins. Nature Communications. 9: 4125. 2018
• Schwarzová et al. Modulating cardiac physiology in engineered heart tissue with the bidirectional optogenetic tool BiPOLES. European Journal of Physiology. 475:1463-1477. 2023