Ein großer Schritt in Richtung nicht-viraler okulärer Gentherapie mit Laser und Nanotechnologie

Im Januar 2009 änderte sich das Leben des Ingenieurs Michel Meunier, Professor an der Polytechnique Montréal, dramatisch. Wie andere hatte er beobachtet, dass der extrem kurze Puls eines Femtosekundenlasers nanometergroße Löcher in Silizium entstehen lassen könnte, wenn es mit Goldnanopartikeln bedeckt war. Doch der Forscher, der für seine Fähigkeiten in der Laser- und Nanotechnologie international anerkannt ist, beschloss, mit einer damals nur laborinternen Neugierde einen Schritt weiter zu gehen. Er fragte sich, ob es möglich sei, vom Silizium zur lebenden Materie überzugehen, von anorganisch zu organisch. Könnten die Goldnanopartikel und der Femtosekundenlaser, dieses „Lichtskalpell“, das gleiche Phänomen mit lebenden Zellen reproduzieren?

Professor Meunier begann in seinem Polytechnique Labor mit der Arbeit an Zellen in vitro. Die Herausforderung bestand darin, einen nanometrischen Schnitt in der extrazellulären Membran der Zellen vorzunehmen, ohne sie zu beschädigen. Mit Goldnanopartikeln, die als „Nanoliter“ fungierten, erkannte Professor Meunier, dass es möglich war, die aus dem Laser kommende Lichtenergie auf eine Wellenlänge von 800 Nanometern zu konzentrieren. Da die Energieaufnahme der Zellen bei dieser Wellenlänge sehr gering ist, bleibt ihre Integrität erhalten. Mission erfüllt!

Basierend auf diesem Ergebnis entschied sich Professor Meunier, an Zellen in vivo zu arbeiten, die Teil einer komplexen lebenden Zellstruktur sind, wie zum Beispiel das Auge.

Das Auge und das leichte Skalpell

Im April 2012 traf Professor Meunier mit Przemyslaw Sapieha einen international renommierten Augenarzt, der insbesondere für seine Arbeit an der Netzhaut bekannt ist. „Mike“ ist Professor an der Augenklinik der Université de Montréal und Forscher am Centre intégré universitaire de santé et de services sociaux (CIUSSS) de l’Est-de-l’Île-de-Montréal. Er sah sofort das Potenzial dieser neuen Technologie und alles, was im Auge getan werden konnte, wenn man den Welleneffekt blockieren könnte, der nach einem Auslöser auftritt, der zu Glaukom oder Makuladegeneration führt, zum Beispiel durch Injektion von Medikamenten, Proteinen oder sogar Genen.

Die Behandlung des Auges mit einem Femtosekundenlaser – einem hochspezialisierten und zerbrechlichen Organ – ist jedoch sehr komplex. Das Auge ist Teil des zentralen Nervensystems, und deshalb sind viele der Zellen oder Zellfamilien, aus denen es besteht, Neuronen. Und wenn ein Neuron stirbt, regeneriert es sich nicht wie andere Zellen. Mike Sapieha’s erste Aufgabe bestand daher darin, sicherzustellen, dass ein Femtosekundenlaser auf einem oder mehreren Neuronen eingesetzt werden kann, ohne sie zu beeinträchtigen. Dies wird als „Proof of Concept“ bezeichnet.

Proof of Concept

Mike und Michel holten sich den Biochemieforscher Ariel Wilson, einen Experten für Augenstrukturen und Sehmechanismen, sowie Professor Santiago Costantino und sein Team von der Augenklinik der Université de Montréal und dem CIUSSS de l’Est-de-l’Île-de-Montréal wegen ihrer Expertise in der Biophotonik. Das Team entschied sich zunächst, an gesunden Zellen zu arbeiten, weil sie besser verstanden werden als kranke Zellen. Sie injizierten Goldnanopartikel in Kombination mit Antikörpern gegen bestimmte neuronale Zellen im Auge und warteten dann darauf, dass sich die Nanopartikel um die verschiedenen Neuronen oder Neuronenfamilien, wie z.B. die Netzhaut, absetzten. Nach dem hellen Blitz des Femtosekundenlasers trat das erwartete Phänomen auf: Kleine Löcher in den Zellen der Netzhaut des Auges, die es ermöglichen, Medikamente oder Gene in bestimmte Bereiche des Auges zu injizieren. Es war ein weiterer Sieg für Michel Meunier und seine Mitarbeiter, mit diesen überzeugenden Ergebnissen, die nun den Weg für neue Behandlungen ebnen.

Die von den Forschern von Polytechnique und CIUSSS de l’Est-de-l’Île-de-Montréal entwickelte Technologie zeichnet sich durch ihre extreme Präzision aus. Das Lichtskalpell ermöglicht es, mit Hilfe von funktionalisierten Goldnanopartikeln die Zellfamilie genau zu lokalisieren, in die der Arzt eingreifen muss.

Professor Meunier und sein Team haben nach erfolgreichem Proof of Concept eine Patentanmeldung in den USA eingereicht. Diese enorme Arbeit war auch Gegenstand eines Papiers, das von einem beeindruckenden Leseausschuss geprüft und im Oktober 2018 in der renommierten Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht wurde.

Obwohl es noch viel zu erforschen gibt – mindestens 10 Jahre, zuerst an Tieren und dann am Menschen -, könnte diese Technologie den Unterschied in einer alternden Bevölkerung ausmachen, die unter einer Verschlechterung der Augen leidet, für die es noch keine wirksamen Langzeitbehandlungen gibt. Es hat auch den Vorteil, dass die Verwendung von Viren, die in der Gentherapie häufig verwendet werden, vermieden wird. Diese Forscher untersuchen Anwendungen dieser Technologie bei allen Augenkrankheiten, vor allem aber bei Glaukom, Retinitis und Makuladegeneration.

Dieses leichte Skalpell ist beispiellos.

Mehr Informationen:
Ariel M. Wilson et al, In Vivo Laser-vermittelte retinale Ganglienzellen-Optimierung mit KV1.1 konjugierten Gold-Nanopartikeln, Nano-Letter (2018). DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02896

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