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Elektronische Genregulation

Die Verbindung von Genetik und Technik wird immer raffinierter. (Bild: Antiv3D/iStock)

Stromschalter aktiviert und schon springt die Genmaschinerie an – was wie Sciencefiction klingt, ist offenbar möglich: Forscher haben durch biotechnische Verfahren Zellen kreiert, deren Genaktivität sich elektrisch regulieren lässt. Das System haben sie für die Entwicklung eines medizinischen Implantats eingesetzt, das nach externer Aktivierung Insulin freisetzt. Der Prototyp konnte bei Mäusen den Blutzuckerspiegel erfolgreich regulieren. Aus dem Konzept könnte sich somit eine neue Technologie zur Behandlung von Erkrankungen beim Menschen entwickeln, sagen die Wissenschaftler.

In jeder Zelle des Körpers eines Menschen, steckt sein gesamtes Erbgut. Welche genetischen Programme aktiv sind, muss deshalb genau reguliert werden. Spezielle Moleküle können dabei eine Aktivierung von genetischen Programmen im Zellkern bestimmter Körperzellen auslösen. So wird beispielsweise auch die Produktion von Insulin in den Betazellen der Bauchspeicheldrüse natürlicherweise reguliert. Bereits seit einiger Zeit versuchen Forscher allerdings auch, die Genaktivität in Zellen mithilfe der Biotechnologie künstlich zu kontrollieren.

Der Optogenetik folgt nun die Elektrogenetik

Schema der elektrischen Aktivierung der insulinproduzierenden Zellen. (Bild: Katja Schubert / nach Krawczyk K et al., Science 2020)

Dabei werden Zellen gentechnisch so verändert, dass sie in einer speziellen Weise auf bestimmte Reize reagieren. Als Signale können biochemische Moleküle dienen oder aber Licht: Bei dieser sogenannten Optogenetik werden Gene in die Zellen eingeschleust, die zur Entwicklung strahlungsempfindlicher Systeme führen, die eine Kontrolle der zellulären Aktivität durch Licht ermöglichen. „Unser Ziel war es hingegen, Genexpression direkt mit Elektrizität zu steuern – nun ist uns dies gelungen“, sagt Martin Fussenegger von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich.

Fussenegger und seine Kollegen haben im Labor gezüchtete Betazellen durch biotechnologische Verfahren mit bestimmten genetischen Programmen ausgerüstet, sodass sie auf elektrische Signale reagieren. Die Zellen bilden eine spezielle Kombination von Kalzium- und Kaliumkanälen aus, die bei elektrischer Stimulation einen Einstrom von Kalziumionen in die Zelle auslösen. Dies führt zu einer Signalkaskade, die das Gen für die Produktion von Insulin im Zellkern aktiviert. Die Zellmaschinerie verpackt das Hormon anschließend in Vesikel, bläschenartige Gebilde, die mit der Zellmembran verschmelzen und so das Insulin innerhalb weniger Minuten freisetzen, erklären die Wissenschaftler.

Testgerät setzt Insulin frei

Diese Zellen haben sie bei der Entwicklung eines Geräts eingesetzt, das sich in die Haut implantieren lässt. Es besteht aus einer Platine mit Empfangs- und Steuerelektronik, die über ein Kabel mit einem Behälter verbunden ist, der die elektronisch aktivierbaren Betazellen enthält. Über ein Funksignal von außerhalb des Körpers kann die Elektronik im Implantat aktiviert werden, worauf sie elektrische Signale an die Zellen sendet. Sie reagieren dann mit der Abgabe von Insulin, das über eine Membran an den Körper abgegeben werden kann. Wie die Forscher berichten, haben erste Tests an „Diabetiker-Mäusen“ gezeigt, dass das Implantat den Blutzuckerspiegel auf ein normales Niveau regulieren kann.

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Auf den Menschen übertragen könnte das Konzept so funktionieren: Ein Diabetiker trägt in seinem Körper ein Implantat, das die insulinproduzierenden Zellen enthält, und eine elektronische Steuereinheit. Sobald der Patient etwas isst und der Blutzucker in seinem Körper steigt, kann er über sein Smartphone mittels App ein elektrisches Signal abgeben oder die App übernimmt dies automatisch, wenn der Speiseplan einprogrammiert ist. Wenig später schütten die Zellen dann das Insulin aus und ein günstiger Blutzuckerspiegel stellt sich ein – so die Vision. „Die Elektrogenetik stellt das nächste Werkzeug in einem sich erweiternden Werkzeugkasten für die Entwicklung von Fernlösungen für Humantherapeutika dar“, schreiben Matthew Brier und Jonathan Dordick vom Rensselaer Polytechnic Institute in Troy in einem Kommentar zur Studie.

Bis zu einer Umsetzung in ein Behandlungsverfahren beim Menschen muss das System allerdings noch viele klinische Tests überstehen und weiter optimiert werden, sagen die Forscher. Momentan arbeiten Fussenegger und seinen Kollegen an Verbesserungen der Verbindung zwischen der Elektronik und den Zellen. Zudem loten sie aus, wie hoch die optimale Stromstärke sein sollte, damit die Zellen und ihre Systeme keinen Schaden nehmen. Denn bisher ist ein Haken des Konzepts, dass die Zellen nach rund drei Wochen ersetzt werden müssen. Fussenegger und sein Team arbeiten deshalb auch an Möglichkeiten, wie sich die elektrosensiblen Einheiten ihres Implantats praxistauglich ersetzen lassen.

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Fachartikel: Science, doi: 10.1126/science.aau7187

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