Gene steuern mit Gedanken - über ein Implantat

ETH-Forscher um Professor Martin Fussenegger haben schon im Jahr 2014 das erste Gen-Netzwerk entwickelt, das über Gehirnwellen betrieben werden kann. Abhängig von den Gedanken des Benutzers kann es verschiedene Mengen eines gewünschten Moleküls erzeugen. Die Inspiration hinter dem Projekt war ein Spiel, das Gehirnwellen auffängt, um einen Ball durch einen Hindernisparcours zu führen.

Implantat

Bild rechts: Gedanken steuern eine Nahinfrarot-LED, die die Produktion eines Moleküls in einer Reaktionskammer startet. (Fotoquelle: Martin Fussenegger / ETH Zürich)

Es klingt wie etwas aus der Szene in Star Wars, wo Meister Yoda den jungen Luke Skywalker anweist, die Macht anzuwenden, um seinen X-Wing aus dem Sumpf zu befreien: Marc Folcher und andere Forscher aus der Gruppe um Martin Fussenegger, Professor für Biotechnologie und Bioengineering am Department of Biosystems (D-BSSE) in Basel hat eine neuartige Genregulationsmethode entwickelt, die es gedankenspezifischen Gehirnwellen ermöglicht, die Umwandlung von Genen in Proteine zu kontrollieren - in Fachbegriffen auch Genexpression genannt. 

EEG: "Zum ersten Mal konnten wir menschliche Gehirnwellen anzapfen, drahtlos in ein Gen-Netzwerk transferieren und die Expression eines Gens je nach Art des Gedankens regulieren. Die Kontrolle der Genexpression durch die Kraft des Denkens ist ein Traum, den wir seit über einem Jahrzehnt verfolgen ", sagt Fussenegger.

Eine Inspirationsquelle für das neue gedankengesteuerte Genregulationssystem war das Spiel Mindflex bei dem der Spieler ein spezielles Headset mit einem Sensor auf der Stirn trägt, der Gehirnwellen aufzeichnet. Das registrierte Elektroenzephalogramm (EEG) wird dann in die Spielumgebung übertragen. Das EEG steuert einen Ventilator, der es ermöglicht, einen kleinen Ball durch einen Hindernislauf zu leiten.

Drahtlose Übertragung zum Implantat
Das System, das die Basler Bioingenieure kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications vorgestellt haben, nutzt ebenfalls ein EEG-Headset. Die aufgezeichneten Gehirnwellen werden analysiert und per Bluetooth drahtlos an einen Controller übertragen, der wiederum einen Feldgenerator steuert, der ein elektromagnetisches Feld erzeugt; Dies versorgt ein Implantat mit einem Induktionsstrom.

Zum besseren lesen Bild anklicken: Dieses Diagramm zeigt, wie das Implantat Gedanken aufnimmt, interpretiert und in Elektrizität umwandelt, um eine Nahinfrarot-LED zu beleuchten. (Grafik: Folcher M et al. Nature Communications 2014)

Im Implantat geht dann buchstäblich ein Licht an: Eine integrierte LED-Lampe, die Licht im nahen Infrarotbereich emittiert, schaltet eine Kulturkammer mit gentechnisch veränderten Zellen an und beleuchtet sie. Wenn das Nahinfrarotlicht die Zellen beleuchtet, beginnen sie, das gewünschte Protein zu produzieren.

Gedanken kontrollieren die Proteinmenge Das Implantat wurde zunächst in Zellkulturen und Mäusen getestet und durch die Gedanken verschiedener Testpersonen kontrolliert. Die Forscher verwendeten SEAP für die Tests, ein leicht zu erkennendes menschliches Modellprotein, das aus der Kulturkammer des Implantats in den Blutkreislauf der Maus diffundiert.

Drahtlos betriebenes Implantat auf dem Feldgenerator mit einer beleuchteten NIR-LED. Eine 1 CHF-Münze (23 mm Durchmesser) dient als Größenindikator. Die 0,5-ml-Kultivierungskammer, die beidseitig semipermeable PES-Membranen enthielt, wurde zu einer sphärischen Polycarbonat-Kappe geformt, die eine mit der NIR-LED verdrahtete PDMS-versiegelte dreidimensionale (3D) Empfängerantenne enthielt. ( b ) 3D-Empfängerantenne, die über die Empfängerschaltung (Empfängerspulen, Resonanzkondensatoren, Schottky-Dioden; Ergänzende 5 und 11 ) mit der NIR-LED verdrahtet ist . ( c ) Qualitätskontrolltest der maßgeschneiderten, drahtlos betriebenen optogenetischen Implantate, die im Stehen auf dem Feldgenerator beleuchtet werden. ( d) Maus mit einem subkutanen, drahtlos betriebenen optogenetischen Implantat, dessen Aktivität durch die Haut beobachtet werden kann. ( e ) Feldgenerator.

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Um die Menge an freigesetztem Protein zu regulieren, wurden die Testpersonen nach drei Zuständen eingeteilt: Bio-Feedback, Meditation und Konzentration. Testpersonen, die Minecraft am Computer spielten, dh die sich konzentrierten, induzierten durchschnittliche SEAP-Werte im Blutkreislauf der Mäuse. Bei völliger Entspannung (Meditation) haben die Forscher bei den Versuchstieren sehr hohe SEAP-Werte gemessen. Bei der Biofeedbackbeobachtung beobachteten die Testpersonen das LED-Licht des Implantats im Mauskörper und konnten das LED-Licht über die visuelle Rückmeldung bewusst ein- und ausschalten. Dies wiederum spiegelte sich in den unterschiedlichen Mengen an SEAP im Blutkreislauf der Mäuse wider.

Neues lichtempfindliches Genkonstrukt

"Gene auf diese Weise zu kontrollieren, ist völlig neu und einzigartig in ihrer Einfachheit", erklärt Fussenegger. Das lichtempfindliche optogenetische Modul, das auf Nahinfrarotlicht reagiert, ist ein besonderer Fortschritt. Das Licht scheint auf ein modifiziertes lichtempfindliches Protein innerhalb der genmodifizierten Zellen und löst eine künstliche Signalkaskade aus, was zur Produktion von SEAP führt. Nahinfrarotlicht wurde verwendet, da es im Allgemeinen für menschliche Zellen (nach heutigen Wissenstand) nicht schädlich ist, tief in das Gewebe eindringen kann und ermöglicht, dass die Funktion des Implantats visuell verfolgt werden kann.

Das System funktioniert effizient und effektiv in einer Mensch-Zell-Kultur und im Mensch-Maus-System. Fussenegger hofft, dass ein gedankengesteuertes Implantat eines Tages helfen könnte, neurologische Erkrankungen wie chronische Kopfschmerzen, Rückenschmerzen und Epilepsie zu bekämpfen, indem es bestimmte Hirnströme frühzeitig erkennt und die Bildung bestimmter Wirkstoffe im Implantat genau zur richtigen Zeit auslöst und steuert.

Literaturreferenz
Folcher M, Oesterle S, Zwicky K, Thekkottil T, Heymoz J, Hohmann M, Christen M, Daoud El-Baba M, Buchmann P, Fussenegger, M: Gedankengesteuerte Transgenexpression durch ein drahtlos betriebenes optogenetisches Designerzellimplantat. Nature Communications, Online-Veröffentlichung 11. November 2014, doi: 10.1038 / ncomms6392
Link: https://www.nature.com/articles/ncomms6392