Optogenetische Stimulation des Kehlkopfes - die erste Machbarkeitsstudie im Schwein

• Antragsteller: Professor Dr. Dirk Beutner; Professor Dr. Tobias Brügmann; Dr.-Ing. Patrick Ruther
• Fachliche Zuordnung: Anatomie und Physiologie ; Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Phoniatrie und Audiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452139556

Beidseitige Paresen des Nervus laryngeus recurrens führen zur Fixierung der Stimmlippen und behindern die Luftpassage durch den Larynx, was in Patienten zur akuten Atemnot führt. Zurzeit gibt es lediglich destructive Behandlungsmöglichkeiten. Alternativ wird seit den 1970ern die elektrische Stimulation der intralaryngealen Muskeln in Tiermodellen und Patienten erprobt. Diese ermöglicht die Stimmlippenöffnungen, aber die Kostimulation der antagonistischen Muskeln und der sensiblen Nerven als auch weitere technische Probleme verhindern den Einsatz in der klinischen Routine.Unsere Arbeitshypothese ist, dass die optogenetische Stimulation einzelner Muskelgruppen die schmerzfreie Kehlkopfstimulation ermöglichen und die Larynxfunktion in Patienten wieder herstellen kann. Wir haben kürzlich die optogenetische Stimulation intakter Skelettmuskel etabliert. Im Soleusmuskel transgener Mäuse, die den lichtgeschalteten nicht-selektiven Kationenkanal Kanalrhodopsin2 (ChR2) exprimieren, führten einzelne Lichtpulse zu Muskelzuckungen und repetitive Beleuchtung zu tetanischen Kontraktionen. Außerdem konnten wir im explantierten Larynx zeigen, dass die selektive Beleuchtung der einzelnen Muskelgruppen spezifisch zur Stimmlippenöffnung oder –schluß führt.In diesem Projekt werden wir die Machbarkeit des optogenetischen Kehlkopfschrittmachers, insbesondere des Gentransfers zur Expression von ChR2 und der Lichtstimulation in Schweinen in vivo testen. Schweine sind ein für den Menschen relevantes Tiermodell und erlauben das translationale Potential aufgrund der sehr ähnlichen Anatomie und Physiologie des Larynx vorherzusagen. Um ChR2 in den intralaryngealen Muskeln zu exprimieren, werden wir adeno-assoziierte Viren (AAV) lokal injizieren. Zuerst wird die optimale AAV Dosis für eine ausreichende ChR2 Expression und Lichtstimulation determiniert, in dem wir vier verschiedene Dosierungen ausprobieren und die Effizienz des Gentransfers nach zwei Wochen testen. In der zweiten Versuchsreihe werden wir die Analyse nach acht Wochen durchführen, um die Langzeiteffizienz zu untersuchen. Zu allen Zeitpunkten werden wir eine potentielle Immunantwort quantifizieren, die prinzipiell gegen den Gentransfer und ChR2 gerichtet sein kann. Drittens werden wir eine bereits entwickelte implantierbare Lichtquelle ex und in vivo testen, die in der Zukunft am wachen Schwein benutzt werden kann. Die Injektion und operativen Eingriffe haben wir bereits an toten Schweinen entwickelt. Die Experimente zur Charakterisierung der Immunantwort sind etabliert.Zusammenfassend soll dieses Projekt die Machbarkeit des optogenetischen Kehlkopf-schrittmachers demonstrieren, um die Kehlkopffunktionen in Patienten mit bilateraler Larynxparese wiederherzustellen. Diese Experimente sind die Ersten mit optogenetischer Stimulation in einem relevanten Großtiermodell jenseits des immunpriviligierten Auges und Gehirns. Sie werden als Vorlage für weitere translationale Applikationen der Optogenetik dienen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen