Die Optogenetik, eine biologische Technik, die das Licht zur Steuerung und Manipulation des Zellverhaltens nutzt, hat sich in den letzten zehn Jahren zu einer der vielversprechendsten Methoden entwickelt. Die Technik nutzt Licht, um bestimmte Gene ein- oder auszuschalten und bestimmte biologische Funktionen auszulösen.

Forscher an der Texas A & M University sind Wege erkunden Optogenetik zu verwenden, um den Fluss von Kalziumionen in Zellen zu steuern. Ihre Arbeit könnte wichtige Auswirkungen auf die regenerative Medizin und die Behandlung verschiedener Krankheiten und Störungen haben.

Calcium ist ein entscheidendes Element in vielen biologischen Funktionen. Wenn Kalziumionen in die Zelle eindringen oder aus den Speichern in der Zelle freigesetzt werden, fungieren sie als zweite Botenstoffe, die wichtige Aktivitäten innerhalb der Zelle regulieren, einschließlich Zellwachstum, Genexpression, Metabolismus und Homöostase.

Dementsprechend kann ein abnormaler Calciumeinstrom zu ernsthaften gesundheitlichen Konsequenzen führen.

"Eine Fehlregulation des Kalziumsignals führt zu einer Reihe von Krankheiten, darunter Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und neurodegenerative Erkrankungen", sagte Yubin Zhou, ein außerordentlicher Professor an der Texas A & M Institut für Biowissenschaften und Technologie und der Leiter der Forschung.

Durch die Entwicklung einer Methode, um den Kalziumeinstrom mithilfe von Licht ein- und auszuschalten, haben Zhou und sein Team möglicherweise einen neuen Ansatz zur Behandlung solcher Krankheiten gefunden.

Die Optogenetik, erklärte Zhou, "verleiht eine hohe räumlich-zeitliche Auflösung, Reversibilität und Fototunierbarkeit, um zelluläre Ereignisse zu steuern." Mit anderen Worten, sie ermöglicht die Steuerung zellulärer Funktionen mit einem hohen Maß an Präzision.

Folglich dient es als eine einzigartige und effektive Methode zur Kontrolle des zellulären Calciumeinstroms.

Kontrolle der Genexpression durch Kalziumzufluss

Die Forscher entwickelten das sogenannte CaRROT-System (calcium-responsive transkriptional reprogramming tool), eine Methode, mit der sowohl Chemikalien als auch Licht zur Steuerung der Genombearbeitung und Transkriptionsreprogrammierung eingesetzt werden können.

CaRROT verwendet einen Lichtimpuls oder Chemikalien, um den Fluss von Kalziumionen in Zellen auszulösen. Die Forscher verwendeten dann Opto-CRAC, eine andere Technologie, die von Zhous Team entwickelt wurde, um Kalziumsignale zu aktivieren. CaRROT überfällt diese Signale und liefert ein genomtechnisches Werkzeug in die Zelle, das die Genexpression manipuliert und letztendlich die Funktion der Zelle verändert.

"Wenn das Licht eingeschaltet wird, öffnen sich die Tore, die die Calciumionen steuern, um den Calciumfluss aus dem Außenraum in das Zytoplasma der Zelle zu ermöglichen", sagte Nhung Nguyen, Doktorand bei Texas A & M, der diese Forschung leitete, in einer Erklärung . "Dieser Prozess aktiviert letztendlich die Expression spezifischer Gene."

Die Forscher glauben, dass CaRROT eine breite Palette von Anwendungen in der regenerativen Medizin und Behandlung von Krankheiten haben könnte.

"CaRROT kann auf endogene Gene abzielen, um die Genexpression mit maßgeschneiderter Funktion ein- oder auszuschalten", sagte Zhou. „Beispielsweise ist die konstitutive Expression mehrerer Onkogene in Krebszellen wie Her2, K-Ras, c-Myc usw. an der Initiierung und dem Fortschreiten von Krebs beteiligt. CaRROT kann wiederverwendet werden, um die Expression dieser Gene zu unterbinden und das Fortschreiten des Krebses zu beeinflussen. Darüber hinaus kann CaRROT in Verbindung mit Werkzeugen zur Basenbearbeitung verwendet werden, um Mutationen im Genom zu korrigieren und Krankheiten umzukehren. “

Die Technologie könnte eines Tages genutzt werden, um Zellen in beschädigten Organen umzuprogrammieren, wodurch Ärzte Wunden heilen und die Geweberegeneration beschleunigen können, indem sie das Gewebe dem Licht aussetzen, Yun Huang, Assistenzprofessor in der Zentrum für Epigenetik und Krankheitsprävention bei Texas A & M. und kooperativer Senior Autor der Studie, in einer Erklärung vorgeschlagen.

Kalziumzufluss mit optoRGK blockieren

Die Wissenschaftler entwickelten auch ein Werkzeug namens optoRGK, das Licht einsetzt, um den Zufluss von Kalziumionen in die Zellen zu stoppen.

optoRGK ist eine neuartige Klasse von genetisch kodierten Inhibitoren, die durch Licht ausgelöst werden können, um spannungsgesteuerte Kalziumkanäle in der Zellmembran auszuschalten.

Die Dysfunktion solcher spannungsgesteuerten Calciumkanäle und der Überlauf von Calcium in Zellen ist mit einer großen Vielzahl von Krankheiten verbunden, einschließlich einiger neuropsychiatrischer Störungen und einer Anzahl von kardiovaskulären Störungen, einschließlich Bluthochdruck, Herzrhythmusstörungen und Koronararterienerkrankungen.

Diese Krankheiten wurden lange Zeit mit herkömmlichen Kalziumkanalblockern behandelt, die dieselbe Funktion wie optoRGK erfüllen, sind aber im Allgemeinen weniger präzise und können für Zellen toxisch sein, was eine Vielzahl von Nebenwirkungen hervorruft.

"Aufgrund dieser Nebenwirkungen sind in der Klinik neue interventionelle Ansätze zur Ergänzung der traditionellen Kalziumkanalblocker dringend erforderlich", heißt es in einer Erklärung von Zhou. "Unser neues optogenetisches Tool bietet eine nicht konventionelle Methode, um physiologische und pathophysiologische Prozesse abzufragen, die durch diese spannungsabhängigen Kalziumkanäle behandelt werden."

Die Forscher testeten optoRGK in Herzmuskelzellen. Wenn das Licht ausgeschaltet ist, schwingen Calciumionen im Rhythmus des Herzschlags in die Zelle hinein und aus dieser heraus. Wenn ein blaues Licht eingeschaltet wird, wird die Bewegung der Kalziumionen sichtbar reduziert, sogar beendet, vermerkt Zhou in einer Erklärung. Wenn das Licht wieder ausgeschaltet wird, beginnen die Calciumionen erneut zu schwingen, was zeigt, dass der Prozess vollständig reversibel ist.

Weitere Forschungen

In Zukunft werden Zhou und sein Team weiterhin untersuchen, wie CaRROT und optoRGK bei der Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden können.

"Wir wollen die optogenetischen Geräte in Tiermodelle mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen überführen, um die therapeutischen Potenziale zu erforschen", sagte Zhou. „Zum Beispiel haben Proof-of-Concept-Experimente bereits gezeigt, dass RGK zur Behandlung von Herzerkrankungen eingesetzt werden kann. Um mögliche In-vivo-Anwendungen zu testen, ist es unsere unmittelbare Zukunftsplanung, optoRGK im atrioventrikulären Knoten von Nagermodellen mit Vorhofflimmern zu exprimieren und zu untersuchen, ob die Photostimulation eine aberrierende atrioventrikuläre Knotenleitung unterdrücken kann, um das Vorhofflimmern zu beeinträchtigen. “