Veränderte Herzmuskelzellen lassen sich durch Licht steuern Blaulicht bringt Herz aus dem Takt - scinexx | Das Wissensmagazin
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Veränderte Herzmuskelzellen lassen sich durch Licht steuern

Blaulicht bringt Herz aus dem Takt

Bonner Wissenschaftler haben Herzmuskelzellen so verändert, dass sie sich durch Licht steuern lassen. In gentechnisch veränderten Mäusen konnten sie so durch gezielte Beleuchtung beispielsweise Herzrhythmusstörungen auslösen. Die Methode eröffnet völlig neue Möglichkeiten, die Entstehung derartiger Arrhythmien zu erforschen, berichten die Forscher in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Methods“.

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Die Wissenschaftler um Tobias Brügmann von der Universität Bonn nutzten für ihre Versuche ein so genanntes „Kanal-Rhodopsin“. Dabei handelt es sich um eine Art Lichtsensor, der in der Zellmembran gleichzeitig als Schleuse für elektrisch geladene Teilchen dienen kann. Bei Bestrahlung mit blauem Licht öffnet sich diese Schleuse, und positiv geladene Ionen strömen in die Zelle. Dadurch verändert sich die Spannung an der Zellmembran, und Herzmuskelzellen können so zur Kontraktion angeregt werden.

Beleuchtung löst Rhythmusstörungen aus

„Wir haben Mäuse genetisch so verändert, dass sie im Herzmuskel Kanal-Rhodopsin bilden“, erklärt Professor Bernd Fleischmann vom Institut für Physiologie I. „Durch Beleuchtung konnten wir so den elektrischen Zustand im Mäuseherzen nach Wunsch verändern. Auf diese Weise konnten wir beispielsweise gezielt Rhythmusstörungen der Vor- oder Hauptkammern auslösen.“

Derartige Arrhythmien – Mediziner sprechen auch vom Kammerflimmern – sind die häufigste Todesursache nach einem Herzinfarkt. Sie entstehen, wenn massenhaft Zellen im Herzen absterben und durch Bindegewebe ersetzt werden. „Dieses Narbengewebe hat andere elektrische Eigenschaften als der gesunde Herzmuskel“, sagt der Leiter der Studie Professor Philipp Sasse. „Und dadurch kommt das Herz ins Stolpern.“

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Natürlicher Taktgeber

Doch warum ist das so? Normalerweise breiten sich von einem natürlichen Taktgeber elektrische Impulse über das Herz aus. Das geschieht zeitlich und räumlich streng koordiniert, so dass es zu einer genau abgestimmten Kontraktion kommt. Wenn sich jedoch ganze Muskelbereiche elektrisch entkoppeln, funktioniert das nicht mehr: Bestimmte Herzteile pulsieren plötzlich in ihrem eigenen Takt. Der Blutfluss kommt dadurch nahezu zum Erliegen.

Die Bonner Wissenschaftler können diese Entkopplung nun durch Bestrahlung mit blauem Licht auslösen. Dabei können sie sich auf wenige Zellen beschränken oder alternativ größere Bereiche des Herzens steuern. So können sie beispielsweise herausfinden, welche Regionen des Hohlmuskels auf elektrische Störungen besonders sensibel reagieren.

Keine unerwünschten Nebenwirkungen

Doch warum reizt man den Herzmuskel nicht einfach über Elektroden und bringt ihn so aus dem Takt? „Das macht man zwar auch“, sagt Sasse. „Diese Methode hat aber unerwünschte Nebenwirkungen: Wenn der elektrische Reiz länger als wenige Millisekunden andauert, werden toxische Gase produziert, und der pH-Wert verändert sich.“

Die Folgen eines Infarktes, der ja zu dauerhaften Gewebeschädigungen führt, lassen sich durch eine elektrische Kurzzeitreizung natürlich nur äußerst eingeschränkt studieren. Die Lichtstimulation ist dazu viel geeigneter: Die Zellen überstehen auch eine minutenlange Bestrahlung problemlos.

Der Einsatz von Kanal-Rhodopsinen in der medizinischen Forschung ist im Prinzip nicht neu. Sie kommen allerdings bislang vor allem in den Neurowissenschaften zum Einsatz. So können Wissenschaftler mit diesen Licht-Kanälen das Verhalten von Fliegen oder Mäusen steuern – allein durch Bestrahlung mit Blaulicht.

(idw – Universität Bonn, 04.10.2010 – DLO)

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