Optogenetische Stimulation und Zelllokalisierung für dreidimensionale Zellverbünde

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen W. Czarske
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524497646

Die Pumpfunktion des Herzens wird durch die elektrische Kopplung der Herzmuskelzellen gewährleistet. Die Kontraktionsbewegung aller Zellen wird dabei durch makroskopische Aktionspotential-Wellen in Form räumlich-zeitlicher Muster synchronisiert. Herzrhythmusstörungen (Arrythmien) beruhen hauptsächlich auf Störungen dieser Erregungsleitung, wobei deren Auftreten wie auch deren gewebeschonende Terminierung noch immer Gegenstand von Forschung und Entwicklung sind. An dieser Stelle hat die Optogenetik, die die Kontrolle der Aktivität von transgenen Zellen mittels Licht behandelt, einen Paradigmenwechsel eingeleitet: Einzelne Zellen oder ganze Zellgruppen lassen sich durch Lichtstimulation zellspezifisch mit Millisekunden-Zeitauflösung und mit zellularer räumlicher Auflösung aktivieren. Mittels In-vitro-Experimenten an künstlichen Kardiomyozyt-Netzwerken können erstmals Störungen der Erregungsleitung gezielt induziert, beobachtet, kontrolliert und Ansätze zu deren Terminierung abgeleitet werden, und so die Spiralwellen erstmalig grundlegend besser untersucht und phänomenologisch verstanden werden. Bisherige Untersuchungen wurden bisher jedoch nur an Herzmuskelzell-Monolagen durchgeführt und so auf eine 2D-Problematik reduziert. Der Übertragung auf mehrlagige, dreidimensionale Zellproben stehen Herausforderungen wie probeninduzierte Aberrationen und Lichtstreuung entgegen. Diese bestehen sowohl bei der Lichtstimulation wie auch bei der mikroskopischen Beobachtung der Zellantwort. In diesem Vorhaben soll den genannten Herausforderungen durch eine örtliche und zeitliche Lichtfeldformung begegnet werden. Durch einen nichtlinearen Zweiphotonenprozess mit ultrakurzen Laserpulsen soll der Einfluss der Lichtstreuung bei der Anregung verringert werden. Gleichzeitig soll durch eine gezielte Steuerung der spektralen Laserpulsanteile die Tiefenselektivität der Anregung gegenüber dem Einphotonenprozess verbessert werden. Es soll erstmals demonstriert werden, wie damit auch im Volumen komplexe spatiotemporale Stimulationsmuster erzeugt werden können. Eine weitere Erhöhung der Eindringtiefe wird durch die Implementierung einer adaptiv-optischen Wellenfrontkorrektur zur Korrektur systeminhärenter wie auch probeninduzierter Aberrationen verfolgt. Die mikroskopische Beobachtung und Lokalisierung der Zellreaktion soll mittels einer doppelhelikalen Punktspreizfunktion in einer Single-Shot-Aufnahme erstmals dreidimensional erfolgen. Das Vorhaben soll den Weg ebnen für zukünftige optogenetische In-vitro-Experimente an dreidimensionalen Proben wie multilagigen Zellverbünden und komplexen Organoiden als organähnlichen Mikrostrukturen, mit denen sich Krankheiten modellieren und untersuchen lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Lars Büttner