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Technik|Digitales

Implantat mit Lichtschalter

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Zellen im lichtleitenden Hydrogel (Harvard Bio-Optics lab)
Digitale Daten übertragen wir längst durch Lichtsignale. Aber auch mit Zellen können wir auf diese Art und Weise kommunizieren: Ein Eingriff ins Erbgut sorgt dafür, dass die Zellen die gewünschten Substanzen ausschütten, sobald das Licht angeht. Forscher haben nun ein Gelkissen voller genetisch veränderter Zellen entwickelt, deren Aktivität durch Licht gesteuert wird. Sie setzten es Mäusen unter die Haut, wo es die Insulinproduktion zuckerkranker Nager ankurbelte und Schadstoffe aufspürte.

Licht und Kommunikation sind heutzutage untrennbar miteinander verbunden. Jede E-Mail, die wir verschicken, rast auf ihrer Reise wahrscheinlich mindestens einmal als Lichtsignal durch ein Glasfaserkabel. Doch die Technik eignet sich nicht nur für Unterhaltungen in der virtuellen Welt: Wissenschaftler haben gelernt, auch mit einzelnen Zellen über Lichtsignale zu kommunizieren. Dazu  koppeln sie bestimmte Prozesse in der Zelle an lichtempfindliche Proteine. Ein beliebtes Opfer dieser Manipulation sind Neuronen. Sie werden gezwungen zu feuern, sobald das Licht angeht.

Um die Zellen präzise zu steuern, wird meist jede einzelne von ihnen an eine hauchdünne Glasfaser angeschlossen. Diese Methode ist praktisch, solange die Zahl der lichtempfindlichen Zellen überschaubar ist. Doch was, wenn ein Lichtbefehl Hunderttausende von ihnen gleichzeitig erreichen soll? Reicht es, einfach an der richtigen Stelle mit einer Taschenlampe auf die Haut zu leuchten? Leider nein. Im Gegensatz zu Glasfasern ist Gewebe ein miserabler Lichtleiter. Signale kommen maximal einige Zentimeter weit, bevor sie vollständig absorbiert oder zerstreut werden.

Forscher um Myunghwan Choi von der Harvard Medical School in Boston stellen in der aktuellen Ausgabe von „Nature Photonics” nun eine Lösung dieses Problems vor. Sie betteten die lichtempfindlichen Zellen in ein wasserhaltiges Polyethylen-Gel ein, das in Zellkulturen gern als Matrix verwendet wird. Anschließend schlossen sie die transparenten Gelstreifen an einzelne Glasfaserkabel an und implantierten sie Mäusen unter die Haut. Die Zusammensetzung des Gels hatten sie zuvor so verändert, dass es Lichtstrahlen möglichst verlustfrei leitete. Obwohl ein vier Zentimeter langer Streifen mehr als  150.000 Zellen enthielt, erreichten 70 Prozent des Lichtes das Ende des Gels.

Sensor für gestresste Zellen

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Die Wissenschaftler testeten ihr Implantat mit zwei verschiedenen Anwendungen. Im ersten Versuch programmierten sie die Zellen darauf, bei Bestrahlung mit blauem Licht GLP-1 auszuschütten. Dieses Protein kurbelt die Insulin-Produktion an. Im Experiment gelang es den Forschern, den Blutzuckerspiegel von Mäusen mit Diabetes zu senken, indem sie Licht durch die Glasfaser in das Gelkissen voller Zellen schickten.

Im zweiten Versuch wurden die Mäuse mit Cadmiumtellurid-Partikeln vergiftet. Die Schwermetalle wanderten durch die Gelmatrix zu genetisch  veränderten Zellen, die als Reaktion auf die Belastung Hitzeschockproteine ausschütteten. An diese Proteine wiederum waren grün fluoreszierende Eiweiße gekoppelt. Über das Glasfaserkabel maßen die Forscher den Grad der Fluoreszenz. So konnten sie in Echtzeit beobachten, wie stark die Giftstoffe die implantierten Zellen stressten. Das Gel-Implantat taugt also nicht nur zur Behandlung von Krankheiten, sondern auch als feiner Sensor, der die Aktivität der Zellen überwacht.

Bis eine Anwendung beim Menschen denkbar ist, gilt es jedoch noch einige Schwierigkeiten zu bewältigen.  „Da die Menge an therapeutischen Substanzen, die für systemische Erkrankungen benötigt wird, proportional zum Körpergewicht ist, brauchen wir größere Hydrogele”, schreiben die Forscher. Für eine Maus mag ein vier Zentimeter langer Streifen voller Zellen ausreichen, für einen Menschen ist er viel zu klein. Im Versuch wurde das Implantat außerdem nur über wenige Tage getestet; in der Klinik sollte es zumindest über einige Wochen hinweg einwandfrei funktionieren. Auch die langfristige Immunreaktion auf den Fremdkörper gilt es genauer zu untersuchen. Immerhin: Die Mäuse vertrugen den Gelstreifen gut.  Werde das Verfahren ausreichend verfeinert, schreiben Edward Sykes und Kollegen von der University of Toronto in einem zugehörigen Kommentar, „könnte es Ärzten eines Tages erlauben, die Gesundheit der Patienten genauer zu überwachen und bessere Behandlungen mit Medikamenten zu entwickeln.”

Quelle:

© wissenschaft.de – Nora Schlüter
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