Nanotechnologie: Forscher steuern Verhalten mit Lichtimpulsen

| Autor / Redakteur: Walter Willems, dpa / Sebastian Gerstl

Oben: Nah-Infrarot (NIR)-Licht kann durch Hirngewebe dringen und über Nanopartikel Neuronen aktivieren. Unten: Nichtinvasive Aktivierung von Neuronen im Belohnungszentrum des Mausgehirns.
Oben: Nah-Infrarot (NIR)-Licht kann durch Hirngewebe dringen und über Nanopartikel Neuronen aktivieren. Unten: Nichtinvasive Aktivierung von Neuronen im Belohnungszentrum des Mausgehirns. (Bild: RIKEN)

Neurologische Störungen ohne Eingriff mit Licht behandeln: Diesem Ziel sind Forscher einen Schritt näher gekommen. Bei Mäusen steuerten sie die Aktivität von Nervenzellen - und sogar ihr Verhalten.

Forscher haben erstmals Hirnfunktionen und Verhalten von außen durch das Gewebe hindurch mit Lichtimpulsen gesteuert. In einem Machbarkeitsnachweis manipulierte das internationale Team bei Mäusen mit Hilfe von Nanopartikeln die Aktivitäten von Nervenzellen in verschiedenen Hirnregionen. Dies könne in Zukunft neue Möglichkeiten zur noninvasiven Therapie etlicher Erkrankungen wie etwa Parkinson eröffnen, schreibt die Gruppe um Shuo Chen und Thomas McHugh vom Riken-Institut für Hirnforschung im japanischen Saitama im Fachblatt Science. Deutsche Kommentatoren sprechen von einem großen Schritt nach vorne. Vor einer klinischen Anwendung gebe es aber noch einige Herausforderungen zu meistern.

Die Neuerung der Forscher fällt in das Gebiet der Optogenetik - der Kontrolle genetisch veränderter Nervenzellen durch Licht. Die Optogenetik habe die experimentelle Beeinflussung neuronaler Schaltkreise revolutioniert und sei ein vielversprechender Ansatz zur Therapie neurologischer Störungen, schreibt das Team. Allerdings seien die Anwendungsmöglichkeiten bislang begrenzt: Weil sichtbares Licht zu sehr streut, erreicht es keine tieferen Hirnschichten.

Diese Hürde überwand das Team mit Hilfe sogenannter aufwärts konvertierender Nanopartikel (UCNP). Diese Kügelchen sind mit Lanthanoiden bestückt und können Licht im Infrarot-nahen Bereich einer Frequenz von 650 bis 1350 Nanometern, das Gewebe durchdringt, in sichtbares blaues oder grünes Licht umwandeln. Dieses Licht kann bei genetisch veränderten Hirnzellen Ionenkanäle aktivieren und so die Aktivität der Zellen steuern.

Solche Nanopartikel mit einem Durchmesser von etwa 90 Nanometern - Millionstel Millimetern - injizierten die Forscher vor den Versuchen in verschiedene Hirnareale genetisch veränderter Mäuse. Dort lagerten sich die Partikel vor allem zwischen den Hirnzellen ab, teilweise aber auch in den Zellen.

Damit kontrollierten die Forscher bei den Tieren bei Versuchen Nervenzellen in verschiedenen Hirnregionen. So konnten sie etwa im Areal des ventralen Tegmentum - gut vier Millimeter unter dem Schädel - die Freisetzung von Dopamin auslösen. In anderen Hirnregionen konnten sie Neuronen stimulieren oder aber hemmen.

In weiteren Versuchen aktivierten sie Erinnerungen von Tieren mit erlernter Angst: Die Mäuse erstarrten auf Lichtimpulse im Hippocampus, einem für das Gedächtnis wichtigen Areal. Diese Reaktion war auch zwei Wochen später noch abrufbar. "Die Nanopartikel scheinen ziemlich stabil und biokompatibel zu sein, was sie für eine Langzeitnutzung brauchbar macht", wird McHugh in einer Mitteilung seines Instituts zitiert. Insgesamt zeigten die Resultate - so schreiben die Forscher - die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des Ansatzes für Therapien neurologischer Erkrankungen.

In einem Science-Kommentar sprechen deutsche Experten um Wolfgang Parak von der Universität Hamburg von einem großen Schritt nach vorne. "Dieses Verfahren könnte letztlich die Richtung weisen für klinische Anwendungen, um neuronale Störungen wie der Parkinson-Krankheit oder sogar Lähmungen optisch zu kontrollieren", schreiben die Kommentatoren, darunter Medizin-Nobelpreisträger Erwin Neher vom Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie.

Einer Nutzung stünden insbesondere drei Herausforderungen im Weg, sagt Parak. Die Nanopartikel seien zwar sehr effizient bei der Umwandlung von Licht, dennoch werde ein Teil der Energie als Wärme frei. Dieser Effekt war den Forschern um McHugh zufolge zwar bei den Mäusen nur minimal; beim Menschen müsste aber wegen des größeren Gehirns mehr Energie eingesetzt werden, sagt Parak: "Die Nanopartikel müssen noch effizienter sein."

Ferner müsse geklärt werden, dass die Nanopartikel auf Dauer keine zellgiftigen Eigenschaften haben. Schließlich müsse man klären, wie sich die Nanopartikel im Gehirn auf Dauer verhielten. "Das Gehirn ist keine statische Einheit", erläutert Parak. "Wenn ich etwas lerne, ändern sich die Nervenzellen. Man muss klären, was dann mit den Nanopartikeln passiert."

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Dazu fällt mir folgendes Horroszenario ein: Über die Nahrung nimmt man, ohne es zu wissen, diese...  lesen
posted am 13.02.2018 um 06:27 von Unregistriert


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