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Sichtbare Signale am schlagenden Herzen

Forschern vom Herzzentrum Göttingen ist es erstmals gelungen, mit einem im Genom von Mäusen eingebauten, fluoreszierenden Protein die kardiale elektrische Aktivität sichtbar zu machen.

Foto: iStockphoto, Nastcol
Deutsche Wissenschaftler bauten im Genom von Mäusen den sogenannten „Spannungssensor“ ein, der ursprünglich bei Nervenzellen in Zellkultur entwickelt wurde und zunehmend für die Darstellung elektrischer Aktivität im lebenden Organismus verwendet wird. Werden Herzmuskelzellen elektrisch erregt, sendet das fluoreszierende Protein Licht aus. Da die zur Aufzeichnung der elektrischen Aktivität von Zellen in Kultur verwendeten, spannungsempfindlichen Farbstoffe, die Licht in Abhängigkeit des Membranpotenzials der Zelle aussenden, häufig toxisch sind, veränderten die Wissenschaftler Mäuse genetisch dermaßen, dass die Tiere einen nichttoxischen, spannungsempfindlichen Sensor in den Herzmuskelzellen ausbildeten. Mittels hochauflösender Kamerasystemen und optischer Lichtleiterr sind die Forscher nun in der Lage ein Kardiogramm der elektrischen Erregung im schlagenden Herzen zu erstellen.

 

Optogenetische Werkzeuge werden für die Identifikation und Steuerung biologischer Prozesse in lebenden Zellen entwickelt. Die Beurteilung der elektrischen Aktivität des Herzens über optische Verfahren wird durch das kontinuierliche Schlagen des Herzens erschwert. Durch die stabile genetische Integration eines fluoreszierenden Spannungssensors (VSFP2.3) mit spezifischer Expression in Herzmuskelzellen sowie Anwendung von Förster-Resonanz-Energie-Transfer (FRET) Verfahren ist es einem Team um Wolfram Hubertus Zimmermann von der Universitätsmedizin Göttingen nun erstmalig gelungen, die elektrische Aktivität von Herzmuskelzellen sowohl in Kultur als auch am frei schlagenden Herz über hochauflösende Kamerasysteme und optische Lichtleiter ohne die sonst üblichen Fluoreszenzfarbstoffe zu analysieren.

Aufgrund der Resultate experimenteller Simulationen gehen die Wissenschaftler davon aus, dass sich der Sensor theoretisch auch im Menschen anwenden lässt. Durch die spezifische Lokalisation des Spannungssensors in der Zellmembran lassen sich darüber hinaus detaillierte Struktur-Funktionsanalysen im akuten wie chronischen Experiment durchführen.

Die Studie zeigt damit erstmalig den Weg zur minimal invasiven Bewertung von Herzmuskelzellentwicklung und Herzfunktion über optische Kardiogramme mittels hochauflösender Bildgebung auf.

Mei-Ling Chang Liao, Teun P. de Boer, Hiroki Mutoh, Nour Raad, Claudia Richter, Eva Wagner, Bryan R. Downie, Bernhard Unsöld, Iqra Arooj, Katrin Streckfuss-Bömeke, Stephan Döker, Stefan Luther, Kaomei Guan, Stefan Wagner, Stephan E. Lehnart, Lars S. Maier, Walter Stühmer, Erich Wettwer, Toon van Veen, Michael M. Morlock, Thomas Knöpfel, Wolfram-Hubertus Zimmermann
Sensing Cardiac Electrical Activity with a Cardiomyocyte Targeted Optogenetic Voltage Indicator
Circulation Research 117: 2015; 117: 401-412, Published online before print June 15, 2015, doi: 10.1161/CIRCRESAHA.117.306143

Quelle: Deutsches Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung

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