Der Lichtschlüssel: Wie Wissenschaftler Proteine im Inneren einzelner Zellen freisetzen

In der Zelltechnologie reicht die eine Frage „Was wurde verabreicht?“ nicht aus. Ebenso wichtig ist, wo und wann das Verabreichte zu wirken beginnt. Forscher schlugen vor, diese Aufgabe mit Licht zu lösen: Biologisch aktive Proteine wurden in mikroskopische Kapseln verpackt, und ein Laserimpuls setzte dann ihre Freisetzung im Inneren von Vorläuferzellen des Nervengewebes in Gang. Die Arbeit wurde am 9 Oktober veröffentlicht in Scientific Reports.
Die Kapseln kann man sich als winzige Pakete mit einem Schloss vorstellen, das sich durch Licht öffnet. Ihr Durchmesser betrug etwa 1,7 Mikrometer. Ins Innere wurden zwei Proteine verpackt: BDNF, der neurotrophe Faktor des Gehirns, und NeuroD1, ein Transkriptionsfaktor, der der Zelle hilft, den Weg zur Umwandlung in ein Neuron einzuschlagen. Die Zellen nahmen die Polymerkapseln selbst auf. Dann richteten die Forscher den Laser auf einen ausgewählten Bereich, und der Inhalt wurde genau dort freigesetzt, nicht in der gesamten Probe.
In Laborversuchen beeinflusste eine solche lokale Aktivierung die Differenzierung: Die Vorläuferzelle erwarb nach und nach die Eigenschaften einer spezialisierten Zelle. Nun lässt sich dieser Prozess punktgenau in Gang setzen, in der gewünschten Zelle und zum gewünschten Zeitpunkt.
Die Wissenschaftler verglichen zwei Bestrahlungsmodi: die Einphotonen- und die Zweiphotonenanregung. Bei abgestimmten Parametern überlebten die Zellen. Die Zweiphotonenvariante ist besonders praktisch: Der Effekt entsteht nur in einem winzigen Fokus, dessen Volumen kleiner als ein Mikrometer ist, weshalb sich die Einwirkung sehr präzise lokalisieren lässt.
Es gibt auch einen praktischen Vorteil: Die Kapseln lassen sich beobachten. Den Daten des Artikels zufolge blieb ihr Fluoreszenzsignal im Inneren der Zellen zwei Wochen lang unterscheidbar, sodass sich die verabreichten Träger über die Zeit verfolgen lassen. Eine in der Aufgabenstellung ähnliche Arbeit mit photoumwandelbaren Polymerkapseln ging weiter: Die Forscher verfolgten einzelne neurale Zellen, und die Kapseln blieben in deren Innerem bis zu fünf Wochen stabil. Auch in dieser Arbeit funktionierte die Photoumwandlung sowohl bei Einphotonen- als auch bei Zweiphotonenbestrahlung.
Der Hauptwert des Ansatzes ist die Steuerbarkeit. Wenn man ein Signal an einem ausgewählten Punkt und zu einem festgelegten Zeitpunkt geben kann, entsteht ein Instrument zur Erforschung der Entwicklung von Nervenzellen: Es wird genauer klar, wie eine einzelne Zelle auf eine Einwirkung reagiert und wie sich ihr weiteres Schicksal verändert.
Die Idee selbst ist nicht neu. Im Jahr 2015 zeigte die Gruppe von Norbert Reich von der University of California in Santa Barbara, dass hohle Goldnanopartikel und ein Nahinfrarotlaser die Freisetzung eines Proteins im Inneren einer Zelle sowohl räumlich als auch zeitlich steuern können. Die Ergebnisse erschienen in der Zeitschrift Molecular Pharmaceutics. Ein weiteres Beispiel: In Nanopartikel verpacktes BDNF wurde unter Einwirkung eines Infrarotlasers bei einer Wellenlänge von 808 nm freigesetzt und unterstützte das Wachstum und die Differenzierung menschlicher neuronaler Vorläuferzellen in Kultur. Dabei erwies sich das Infrarotlicht als deutlich weniger toxisch als das ultraviolette Licht, das in derselben Arbeit getestet wurde.

Heute klingt das Thema besonders aktuell: Am 5 Oktober 2026 wurde der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an Karl Deisseroth, Peter Hegemann und Georg Nagel verliehen für Entdeckungen im Zusammenhang mit lichtgesteuerten Ionenkanälen und der Optogenetik – einer Methode zur Steuerung der Aktivität von Nervenzellen mit Hilfe von Licht. Research and innovation Die Ursprünge dieser Geschichte führen zu einer einzelligen Alge Chlamydomonas reinhardtii: Hegemann, Nagel und ihre Kollegen untersuchten ihre lichtempfindlichen Proteine – die Kanalrhodopsine, die als Ionenkanäle wirken, welche sich unter Lichteinwirkung öffnen. Im Jahr 2005 zeigten Deisseroth und Mitautoren, dass die Einbringung von Kanalrhodopsin-2 in Neuronen es ermöglicht, ihre elektrische Aktivität mit kurzen Impulsen blauen Lichts auszulösen.

Beide Ansätze nutzen Licht für eine präzise Einwirkung auf Zellen: Die Optogenetik steuert ihre elektrische Aktivität, die untersuchten Mikrokapseln die Freisetzung von Proteinen.

Die Untersuchung eröffnet die Perspektive einer präziseren Steuerung der Entwicklung von Nervenzellen. In Versuchen an Zellkulturen zeigten die Wissenschaftler, dass Licht es ermöglicht, Proteine lokal freizusetzen, wobei bei abgestimmten Parametern die Überlebensfähigkeit der Zellen erhalten bleibt. Der nächste Schritt ist, die Verabreichung der Kapseln in lebendes Gewebe, die Methoden der Lichtaktivierung im Inneren des Organismus und die langfristige Sicherheit der Methode zu untersuchen. Diese Forschungen werden helfen, ihre Möglichkeiten für künftige Zelltherapien einzuschätzen. Schon heute gibt die Plattform den Wissenschaftlern ein wertvolles Instrument: die Möglichkeit zu beobachten, wie eine einzelne Zelle auf ein Signal reagiert und wie sich ihre weitere Entwicklung verändert.