Im Scheinwerferlicht

Wissenschaft Vom Grundlagenwissen zur Anwendung.

Im Scheinwerferlicht In enger Zusammenarbeit mit Bence György entwickelte Matej Žnidarič eines der ersten optogenetischen Therapiemodelle für die Behandlung von Retinitis pigmentosa. Die Augenerkrankung befällt die zapfenförmigen Fotorezeptorzellen und kann zur Erblindung führen. Text von Goran Mijuk, Fotos und Videos von Laurids Jensen.

Wenn Matej Žnidarič im Physiologielabor des IOB mit Netzhautproben arbeitet und sie Lichtimpulsen aussetzt, tut er das in fast vollkommener Dunkelheit. Nur ein rotes Licht gibt ihm ein wenig Orientierung.

Žnidarič arbeitet sowohl mit menschlichen als auch mit tierischen Netzhautproben. Die menschlichen Proben erhält er von Partnerspitälern in Budapest und Basel.

Der ausgebildete Physiologe und Biologe präpariert die Gewebeproben, indem er die Netzhaut in winzige Stücke schneidet. Anschliessend misst er das Verhalten genetisch veränderter Zapfen-Fotorezeptorzellen unter künstlichen Lichtbedingungen.

Bevor er mit den Messungen beginnen kann, werden die bei bestimmten Erkrankungen degenerierenden zapfenförmigen Fotorezeptoren der Netzhaut mit speziellen lichtempfindlichen Proteinen behandelt, die über einen viralen Vektor eingebracht werden.

Die lichtempfindlichen Proteine, die vier bis fünf Wochen brauchen, um sich im Gewebe einzubetten, können Licht einfangen und diese Impulse an andere Zellen der Netzhaut senden. Diese Zellen leiten die Signale dann an Ganglienzellen weiter, welche die Netzhaut mit dem Gehirn verbinden.

Žnidarič verwendet hochspezialisierte In­strumente für die äusserst empfindliche Vorbereitung seiner Proben.

Für Laien mag dieses Gerät aufgrund der sichtbaren Okulare wie ein Mikroskop aussehen. Es handelt sich jedoch um einen massgeschneiderten Sensorapparat, mit dem sich das Zellverhalten umfassend und exakt testen lässt.

Žnidarič hat ihn selbst entworfen und gebaut. Dabei hat er Elemente wie Chips und Software von mehreren Drittanbietern verwendet.

An der Vorderseite des Geräts befindet sich eine Reihe von Instrumenten, welche die Gewebeproben am Leben erhalten, Spannungsänderungen aufzeichnen und die elektrischen Signale an eine Software weiterleiten.

Der Lichtprojektor (im Bild ist eine neue, noch nicht eingebaute Version zu sehen) wird auf der Rückseite des Geräts installiert.

Um die Netzhautproben während des Experiments am Leben zu erhalten, werden sie mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt.

Die von einer Pumpe gesteuerte Durchflussmenge beträgt konstant 4 bis 5 Milliliter pro Minute.

Stücke der geschnittenen Netzhaut werden in 6-Well-Gewebekulturplatten gelagert, wo sie an einer dünnen Membran befestigt sind. Dort verbleiben die Gewebeproben vier bis sechs Wochen, wobei ihr Medium regelmässig gewechselt wird.

Beginnt Žnidarič mit dem Experiment, nimmt er die Proben aus den Wells, löst sie von den Membranen und überträgt sie auf einen Chip. Auf dem Chip werden sie von einer Metallhalterung mit dünnen Drähten «bedeckt», die das Gewebe an Ort und Stelle halten.

Den Kern des Apparats bildet das Mikroelektroden-Array, ein Sensor mit Elektroden. Das derzeit von Žnidarič verwendete Array (im Bild durch das Mikroskop unter Rotlicht zu sehen) ist mit 16 mal 16 Elektroden im Abstand von jeweils 100 Mikrometern ausgestattet. Das IOB testet auch von der ETH entwickelte Arrays (grün), die über 25000 Elektroden verfügen.

Bei der Messung werden die Lichtimpulse von den Zapfen-Fotorezeptorzellen, die auf dem Gewebe liegen, direkt aufgenommen. Von dort gelangen die Signale durch eine Zellkaskade in der Netzhaut bis zu den Ganglienzellen am unteren Ende des Gewebes.

Dabei verändern die Ganglienzellen ihr Membranpotenzial, was eine Spannungsänderung zur Folge hat, die von den Elektroden registriert wird. Die Elektroden übertragen das Signal anschliessend an den Computer.

Der Aufbau der Experimente ist komplex und datenintensiv. Eine Berechnungslinie zeichnet die Lichtimpulse auf, die andere identifiziert die elektrische Übertragung der Elektroden. Beide Linien müssen genau aufeinander abgestimmt werden, damit sich die Daten korrekt auslesen lassen.

Das Verfahren muss präzise ablaufen, denn die Zeitdifferenz zwischen den Lichtimpulsen und den Spannungsänderungen in der Ganglienmembran wird in Millisekunden gezählt. Das Datenvolumen aus einem einzigen Experiment kann leicht ein Terabyte erreichen.

Die Software zeichnet die Spannungsänderung in den Ganglienzellen auf. Die Sensorfelder des Chips werden auf dem Bildschirm als Raster dargestellt. Matej Žnidarič muss ermitteln, wie viele der Netzhautzellen auf Lichtstimulation reagieren und welche Eigenschaften die Reaktionen aufweisen. Zeigen die Ganglienzellen auf dem Bildschirm zackenförmige Ausschläge, empfangen sie Impulse der «geretteten» Fotorezeptorzellen. Das bedeutet, dass die Netzhaut also wieder in der Lage ist, Licht zu verarbeiten.

Für eine mögliche optogenetische Therapie bedeutet dies, dass Menschen ihr Sehvermögen wiederherstellen können. Nach dem Experiment werden die Netzhautproben mit einem fluoreszierenden Protein eingefärbt, um die zapfenförmigen Fotorezeptoren zu identifizieren. Das Team am IOB nimmt mithilfe eines Spinning-Disk-Konfokalmikroskops auch hochauflösende Bilder auf.