Lichtgeschaltete Herzschrittmacher

Spezialisierte Herzmuskelzellen, so genannte Schrittmacherzellen, bestimmen die Schlagfrequenz des menschlichen Herzens und können bei Herzrhythmus-Störungen durch Implantation eines elektrischen Schrittmachers ersetzt werden.

Obwohl solche Implantate Millionen von Menschen das Leben retten, haben sie dennoch ihre Grenzen. So erzeugen die elektrischen Pulse toxische Gase wie Wasserstoff, Sauerstoff und Chlor. Sie müssen deshalb kurz und behutsam sein.

Der Freiburger Neurobiologe, Dr. Aristides Arrenberg, Institut für Biologie I, hat in einem internationalen und multidisziplinären Forscherteam um die beiden Professoren Herwig Baier und Didier Stainier an der Universität von Kalifornien San Francisco an einer Studie zu einem nicht-invasiven, optischen Herzschrittmacher mit gearbeitet. Die Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Die Wissenschaftler erprobten eine nicht-invasive Methode, die es ermöglicht, die Herzfrequenz präzise zu kontrollieren. Hierbei werden transgene Proteine in die Herzzellen eingeschleust, die bei Lichteinfall die Polarisation der Zellmembran verändern. So gelang es, das Herz im Tiermodell bei Zebrafischen durch wohl definierte Lichtpulse langsamer oder auch schneller schlagen zu lassen. Die Entwicklung eines künstlichen, licht-geschalteten Schrittmachers für den Menschen ist Zukunftsmusik und wird es auf Grund der guten Wirksamkeit von elektrischen Schrittmacher-Implantaten wohl auch bleiben. Die jüngsten Ergebnisse zeigen jedoch das Potenzial, dass diese Methode bieten könnte, falls sicherer therapeutischer Gen-Transfer in der Zukunft möglich wird. Gegenwärtig kommt die neue Methode hauptsächlich in der biologischen Grundlagenforschung zum Einsatz.

Das Forschungsprojekt wurde durch eine Entwickung in den Neurowissenschaften möglich gemacht, in der lichtgeschaltete Ionenkanäle und –pumpen in erregbaren Nervenzellen oder Muskelzellen produziert werden. Diese Proteine kommen normalerweise in Mikroorganismen wie Algen und Archaebakterien vor und gelangen durch Gentechnik in Wirbeltiere, um so die Aktivität der Zellen beeinflussen zu können. Durch Anwendung präziser optischer Methoden kann ein Lichtstrahl so geformt werden, dass nur einzelne Zellen oder bestimmte Regionen aktiviert werden. In einem so genannten Lichtblattmikroskop (SPIM) wurden verschiedene Muster erzeugt und aus den aufgenommenen Videos Rückschlüsse auf die Lage der Schrittmacherzellen in den Zebrafischherzen gezogen. So konnten die Wissenschaftler die Entwicklung des Schrittmachers über verschiedene Stadien verfolgen.

Science, 12.11.2010: Optogenetic Control of Cardiac Function
Aristides B. Arrenberg, Didier Y. R. Stainier*, Herwig Baier, Jan Huisken
Kontakt:
Dr. Aristides Arrenberg
Albert-Ludwigs-Universität – Institut für Biologie I
Tel.: 0761/203-2581
E-Mail: Aristides.Arrenberg@biologie.uni-freiburg.de