Team III

Wir haben Pionierarbeit bei der direkten optogenetischen Stimulation von Zellen der quergestreiften und glatten Muskulatur geleistet, die im Gegensatz zu elektrischen Prothesen eine dauerhafte Kontrolle der Muskelfunktion unabhängig vom Zustand der innervierenden Nerven verspricht. Die Gastroparese ist eine belastende Krankheit, von der Millionen von Patienten betroffen sind, ohne dass es eine geeignete Behandlungsmöglichkeit gibt. In den meisten Fällen wird sie durch eine Funktionsstörung des enterischen Nervensystems und der interstitiellen Cajal-Zellen verursacht, während die glatten Muskelzellen in der Regel intakt bleiben. Die Behandlung durch elektrische Stimulation ist für die Patienten jedoch nur bei niedrigen Energien erträglich, die zwar die afferenten Nerven, nicht aber die glatten Muskelzellen stimulieren und somit keine Kontraktionen auslösen und die Motilität wiederherstellen können. Erste klinische Studien berichteten von einer leichten Linderung der Symptome in einigen Fällen, aber nie von einer Wiederherstellung des Nahrungsantriebs. Wir haben nachgewiesen, dass eine direkte optogenetische Stimulation der glatten Muskelzellen eine Kraftentwicklung auslöst, die den Magendruck und schließlich den Nahrungsantrieb im Magen von transgenen Mäusen erhöht, die ChR2 exprimieren (https://www.thno.org/v11p5569.htm).

Wichtig ist, dass die Expression von ChR2 in einem Drittel der glatten Muskelzellen ausreichte, um so viel Kraft zu erzeugen wie die Kaliumdepolarisation aller Zellen und im Vergleich zur elektrischen Stimulation deutlich mehr Kraft. Kürzlich haben wir einen menschlichen Neuroopsin-Rezeptor (hOPN5) charakterisiert und nachgewiesen, dass seine optische Aktivierung selektiv die Gq-Protein-Signalisierung antreibt und folglich Ca2+-Transienten in glatten Muskelzellen auslöst (https://www.nature.com/articles/s41467-022-29265-w). In diesem Projekt werden wir zunächst die verschiedenen Mechanismen untersuchen und die Wirksamkeit dieser beiden völlig unterschiedlichen und komplementären Ansätze vergleichen: Lichtinduzierte Membrandepolarisation und Erzeugung von Aktionspotentialen mit lichtinduzierter Gq-Signalgebung mit dem Vorteil der intrazellulären Signalverstärkung. Anschließend werden wir verbesserte Varianten von Channelrhodopsinen einschließlich ChReef- und OPN5-Mutanten untersuchen. Die nächsten Schritte bestehen darin, einen effizienten Gentransfer zu finden, den Ansatz in vivo an gesunden und gastroparetischen Tieren zu testen und medizinische Geräte für eine effiziente Beleuchtung zu entwickeln.