Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Aarhus University hat lichtempfindliche Nanopartikel entwickelt, die nach einer Injektion ins Auge blinde Netzhäute reaktivieren können. Die im Fachblatt Nature Biomedical Engineering veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass die Technologie drahtlos Lichtreize an intakte Nervenzellen weiterleiten kann.
Nanopartikel überbrücken den Ausfall von Photorezeptoren
Bei Erkrankungen wie Retinitis pigmentosa sterben die lichtempfindlichen Photorezeptoren in der Netzhaut allmählich ab. Die nachgeschalteten Nervenzellen und Schaltkreise bleiben jedoch häufig intakt. Genau an diesem Punkt setzt der Ansatz an, den internationale Forscher um Menglin Chen von der Aarhus University entwickelt haben. Statt auf gentherapeutische Modifikationen oder operative Implantate zu setzen, nutzen die Wissenschaftler etwa 300 Nanometer große, hohle Graphit-Kohlenstoffnitrid-Partikel.
Diese Halbleitermaterialien fungieren im Auge als winzige biologische Solarzellen. Sie sammeln einfallendes Licht und wandeln es in lokale photoelektrochemische und photothermalreaktive Signale um. Dadurch entsteht eine drahtlose Schnittstelle, die den verbliebenen Netzhautzellen den Empfang von Lichtreizen ermöglicht, ohne dass dafür genetische Eingriffe am Gewebe notwendig sind.
Erfolge in Mäuseaugen und isoliertem Gewebe
Die Partikel lagerten sich gezielt in unmittelbarer Nähe der retinalen Ganglienzellen ab, welche die visuellen Informationen vom Auge an das Gehirn weiterleiten. Bei anschließender Beleuchtung konnten im visuellen Kortex der Tiere eindeutige lichtinduzierte Signale gemessen werden. Zudem zeigten die Mäuse veränderte Verhaltensreaktionen auf Lichtreize.
Parallel dazu bestätigten Tests an isoliertem Schweinenetzhautgewebe, dass LED-Licht bei Anwesenheit der Nanopartikel Ganglienzellen aktivieren kann. Die an dem Projekt beteiligten Wissenschaftler stammen neben der Aarhus University unter anderem von der University of Chicago, der University of Eastern Finland, dem Aarhus University Hospital und der University of Copenhagen.
Menglin Chen, Associate Professor am Department of Biological and Chemical Engineering der Aarhus University, erklärte zu Beginn, ihre fundamentale Frage sei gewesen, ob sie ein Material erschaffen könnten, das als drahtlose Schnittstelle zwischen Licht und lebenden Zellen fungieren kann, und fügte hinzu, man könne nun sehen, dass die Partikel in der Lage sind, Nervenzellen in blinden Netzhäuten zu aktivieren.
Vom Chloroplasten-Prinzip zur multiskalaren Zelldynamik
Die architektonische Inspiration für die Partikel stammt aus der Natur: Die hohlen Strukturen orientieren sich an Chloroplasten, die in Pflanzen die Sonnenenergie während der Fotosynthese einfangen. Dieser biomimetische Aufbau verleiht den Graphit-Kohlenstoffnitrid-Sphären ihre hohe Effizienz bei der Aufnahme von sichtbarem Licht.
Die Funktionsweise wurde im Rahmen der Studie an verschiedenen biologischen Skalen untersucht. Mithilfe gezielter Laserstimulation konnten die Forscher einzelne Partikel innerhalb von Zellen aktivieren und so Calcium-Signaltranssiten auslösen. An Herzmuskelzellen demonstrierte das Team zudem, dass sich der Rhythmus von Kardiomyozyten mithilfe von LEDs synchronisieren lässt.
Menglin Chen, Associate Professor, betonte, statt diese Zellen genetisch zu modifizieren, nutze man die Nanopartikel, um eine neue Verbindung zwischen Licht und den Nervenzellen zu schaffen.
Die Verfasser betonen ausdrücklich, dass die bisherigen Versuche kein normales Sehvermögen wiederherstellen. Die Technologie demonstriert jedoch einen neuartigen Weg, um Lichtempfindlichkeit in degenerierten Netzhäuten experimentell zu erzeugen.
Bis zu einer potenziellen Anwendung beim Menschen stehen noch umfangreiche Forschungsarbeiten aus. Zu den kommenden Aufgaben gehören die Optimierung der Verabreichungsmethoden, präzise Analysen zur langfristigen Verweildauer der Nanopartikel im Auge sowie detaillierte Sicherheitsprüfungen. Ob die lichtgetriebenen Reize letztlich stark und kontrolliert genug für den Einsatz in klinischen Netzhautprothesen sind, muss die weitere präklinische Entwicklung zeigen.
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