Wellenfront-Formung durch computergenerierte Volumenhologramme für optogenetische Anwendungen (HoloGen)

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Bernhard Bergmann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450381965

Die Optogenetik ist ein sich rasant entwickelndes Forschungsgebiet, das u.a. die Fachgebiete der Genetik und Photonik miteinander verbindet. Mit Hilfe der Optogenetik ist es möglich, durch Bestrahlen von Licht das Verhalten von mit lichtempfindlichen Ionenkanälen modifizierten Zellen zu beeinflussen. Das Einbringen sogenannter Opsine in eine Zellmembran (z.B. in Neuronen, Herz- oder Cochleazellen) erlaubt unter der Stimulation mit Licht geeigneter Wellenlänge das An- oder Abschalten von Membranpotentialen. So wird es möglich, selektiv Kanäle für positiv oder negativ geladene Ionen zu öffnen, ein Aktionspotential in der Zelle zu induzieren und damit die elektrische Aktivität der Zelle zu steuern.Eine Hürde zum effizienten Einsatz von Licht am Bestimmungsort stellt z.Zt. allerdings die Art der optischen Stimulation dar, da in der Regel eine flächenhafte Beleuchtung mittels Lichtwellenleitern oder Mikro-LEDs eingesetzt wird. Dies führt zur gleichzeitigen Anregung ganzer Zellensembles, wodurch räumliche Informationen verloren gehen und eine zellgenaue Stimulation nicht umsetzbar ist. Zudem besteht ein großer Bedarf darin, mehrere Opsine in verschiedenen Zelltypen gleichzeitig dreidimensional adressieren zu können, vor allem unter der Ausnutzung mehrerer Wellenlängen. Demnach zeigt sich aktuell im Stand der Technik ein Bedarf an einer Methode zur definierten Formung von Wellenfronten für die flexible Bereitstellung beliebig strukturierter dreidimensionaler Intensitätsverteilungen zur gleichzeitigen Stimulation multipler optogenetisch veränderter Zellen und Zelltypen mit zellulärer Auflösung für in vivo-Anwendungen, die durch den Einsatz diffraktiver und/oder adaptiver Optiken geschlossen werden können.Ziel des beantragten Vorhabens ist daher die Realisierung eines optischen Systems auf der Endfläche einer Single-Mode Faser, mit dessen Hilfe in Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtwellenlänge unterschiedliche Beleuchtungsmuster dargestellt werden können, um optogenetisch modifizierte Zellen einzeln oder im Ensemble definiert anzusprechen und mit hoher Präzision dreidimensional zu stimulieren. Die Beleuchtungsmuster werden in einem computer-generierten Volumenhologramm (CGVH) kodiert, das die individuelle Gestaltung der Wellenfront in Abhängigkeit der Beleuchtungswellenlänge ermöglicht. Die für das optische System benötigten CGVHs und Mikrooptiken werden zunächst, angepasst auf das jeweilige Anwendungsgebiet (z.B. Neuronen- oder Cochleastimulation), berechnet und anschließend mittels Methoden der Mikro- und Nanofabrikation auf dem Ende einer Glasfaser hergestellt. Durch diesen Ansatz der wellenlängenabhängigen Lichtformung und Wellenfrontstrukturierung eröffnen sich neue Möglichkeiten der optogenetischen Mikrostimulation zur Erforschung von Zellnetzwerken und dem Verständnis der Zellkommunikation bis hin zur gezielten optischen Steuerung von Zellaktivitäten für die Entwicklung neuartiger therapeutischer Ansätze an bzw. in biologischen Organismen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen